La galaxia espiral NGC 3393 tiene en su núcleo dos superagujeros negros en colisión mutua

La galaxia NGC 3393 fue observada por la cámara ACIS-S del Observatorio Chandra de Rayos X en febrero de 2004 y en marzo de 2011; un total de 89 700 segundos de observación que indican que tiene dos núcleos galácticos activos, dos superagujeros negros activos por la acreción de materia, separados por solo 490 años luz de distancia. Su potencia de emisión indica que tienen una masa de unos ~8 × 10⁵ y ~10⁶ masas solares. La teoría de formación galáctica aplicada a NGC 3393 permite asumir que su núcleo es el resultado (remanente) de la colisión de dos galaxias y que sus superagujeros negros están en proceso de colisión y fusión mutua. Un resultado que ha merecido una publicación en la prestigiosa revista Nature: G. Fabbiano, Junfeng Wang, M. Elvis, G. Risaliti, “Previous articleNext articleA close nuclear black-hole pair in the spiral galaxy NGC 3393,” Nature (AOP), 31 August 2011.

La teoría actual de la evolución galáctica indica que la fusión de galaxias fue un proceso muy habitual en las primeras etapas de la evolución del universo tras la edad oscura. Ya se han observado pares de cuásares (cada uno con un agujero negro supermasivo en su centro) separados por una distancia corta, entre 6 000 y 300 000 años luz de distancia, que se interpretan como que están en proceso de fusión mutua. La fusión de dos superagujeros negros conduce a la formación de un superagujero negro con un horizonte de sucesos mayor que la suma de ambos. También se han observado galaxias cercanas con dos núcleos activos, como NGC 6240 (dos núcleos activos separados unos 2 600 años luz) y Mrk 463 (separados unos 13 000 años luz), sin embargo, nadie podía imaginar que se llegara a observar una galaxia cercana (NGC 3393 está a unos 50 megapársecs, o unos 160 millones de años de luz de distancia) con dos núcleos activos separados por menos de 500 años luz. Una distancia tan corta indica que los dos superagujeros negros están en pleno proceso de fusión. El estudio detallado de su dinámica dará una información muy relevante sobre la dinámica de las colisiones galácticas y la fusión de sus superagujeros negros.

Nuevos límites Gfitter para la estimación de la masa del bosón de Higgs según los ajustes de precisión del modelo estándar

El modelo estándar no predice la masa del bosón de Higgs, pero gracias a su influencia en otros parámetros, los resultados de precisión de la teoría electrodébil permiten estimar su masa. El grupo Gfitter publicó el 18 de agosto de 2011 que la masa del bosón de Higgs más probable está entre 125 y 130 GeV, y se encuentra en los intervalos [115,133] a 1 sigma y [114,146] a 2 sigma. Además, la nueva figura descarta a más de 2 sigma un Higgs con una masa mayor de 150 GeV. El valor más probable para la masa del Higgs publicado el 21 de julio de 2011 (con datos anteriores a la conferencia EPS HEP 11) colocaban la masa más probable en alrededor de 120 GeV, dentro de los intervalos [115,132] a 1 sigma y [114,143] a 2 sigma. La figura de arriba es la nueva estimación (18 ago. 2011) para la masa del bosón de Higgs (superpuesta en la región por debajo de 150 GeV a la del 21 jul. 2011); no hay grandes diferencias aunque la nueva estimación parece preferir un Higgs con una masa algo mayor, desde un punto de vista estadístico la diferencia es muy pequeña. Ya sabéis que mi preferencia siempre ha sido un Higgs entorno a los 120 GeV, pero el nuevo ajuste apunta a uno un poco más masivo, en la línea de la previsión de Gordon Kane utilizando la teoría M/teoría de cuerdas. Por supuesto, no es pura casualidad, seguro que Kane ha ajustado su predicción utilizando estos datos teóricos. Yo no tengo ninguna duda al respecto.

La nueva estimación ha sido publicada por el grupo de trabajo de LEP en teoría electrodébil (LEP electroweak working group) que utiliza el software llamado Gfitter. Este software utiliza los últimos resultados experimentales disponibles para los siguientes parámetros del modelo estándar: M_Z, M_H, m_c, m_b, m_t, Δα_had(M_Z²), y α_s(M_Z²). Los nuevos resultados publicados en julio de 2011 (EPS HEP 11) ofrecen nuevos valores para la masa del quark top en el Tevatrón (m_t=173,2±0,9 GeV) y para el valor de Δα_had(M_Z²) tras los últimos resultados de BarBar (arXiv:1010.4180). Para la masa del Higgs se han publicado nuevos límites de exclusión combinados en el Tevatrón con hasta 8,6 fb^-1 de datos (arXiv:1107.5518), para ATLAS en el LHC (arXiv:1106.2748) y para CMS (arXiv:1102.5429).

Lo más interesante de las nuevas figuras de Gfitter publicadas en 2011, cuando se las compara con las figuras publicadas en 2010, es que el intervalo de incertidumbre teórico en la región de masas entre 114 y 157 GeV se ha reducido mucho (se ha reducido de cerca de 1 sigma a uno que casi no se ve en la figura). Esto es una señal de que las estimaciones de Gfitter son cada día más confiables.

En las extensiones del modelo estándar con supersimetría también se puede realizar una estimación de la masa del Higgs neutro más similar al del modelo estándar. Este tipo de análisis se realiza con el software MasterCode y nos lo cuenta O. Buchmueller en ”Confronting SUSY with LHC Data,” SUSY11. Por ahora estas estimaciones son mucho peores, en cuanto a confianza estadística, que las de Gfitter, pero son interesantes. Arriba tenéis el resultado de MasterCode para las teorías CMSSM, VCMSSM, mSUGRA y NUHM1, así como para el modelo estándar, utilizando los datos del LHC obtenidos en 2010 (que yo sepa un cálculo similar con las colisiones de 2011 todavía no se ha publicado, quizás en los próximos días en SUSY11 lo haga alguien). Como veis la banda de error es grande y todavía no hay datos suficientes para distinguir entre estas teorías caso de que se descubra un Higgs con una masa dada. Pero los resultados a 1 sigma son para todos los gustos.

Por cierto, siempre que se habla de supersimetría (modelo MSSM y sus variantes, como NMSSM) se piensa en 5 bosones de Higgs (o en 7 en NMSSM, o incluso en más en otros modelos), pero se olvida que la SUSY permite que haya un solo bosón de Higgs si además de la SUSY hay algo más (como el tecnicolor), como nos recuerda de forma estupenda el español Alex Pomarol (Univ. Autónoma de Barcelona), “Blended Models of Electroweak Symmetry Breaking.” Los límites actuales para la búsqueda de los 5 bosones de Higgs del modelo MSSM en el Tevatrón nos los ha presentado Thomas Wright (University of Michigan), “Tevatron Non-SM Higgs Searches“ y para la búsqueda del Higgs del modelo estándar nos los ha recordado Gregorio Bernardi (LPNHE Paris), “SM Higgs Results from the Tevatron” (ambos en nombre de CDF y DZero del Tevatrón).

PS (1 sep 2011): Más información en Matthias Schott (CERN), on behalf of the Gfitter Group, “Constraints on the electroweak symmetry breaking sector from global fits with Gfitter.”

El año en el que la teoría del big bang estuvo a punto de morir

He recordado el año 1995 y el famoso editorial de John Maddox que ponía entre las cuerdas a la teoría del big bang (o de la gran explosión), tras leer el reciente artículo de Pallab Ghosh, “LHC results put supersymmetry theory ‘on the spot’,” BBC News, 27 August 2011, y ojear la charla de Hitoshi Murayama, “Why do SUSY in 2011?,” SUSY 11, 28-Aug-2011. El artículo en BBC News afirma que la supersimetría está pasando por malos momentos debido a los resultados recientes del LHC en el CERN y que los físicos más jóvenes se están decantando por otras teorías (“younger theoretical physicists are beginning to develop completely novel ideas because they believe supersymmetry to be “old hat”,” según Joseph Lykken del Fermilab). Quizás los lectores más jóvenes de este blog no se acuerden y convenga recordarles la historia.

John Maddox (al que dediqué un obituario en este blog, “John Maddox, Nature, y la mula Francis,” 15 abril 2009), el archifamoso editor de la revista Nature, tenía la buena costumbre de escribir unos editoriales que hicieron historia (y que a mí me gustaba mucho leer). Los más jóvenes quizás solo lo conocerán por su libro “Lo que queda por descubrir: una incursión en los problemas aún no resueltos por la ciencia, desde el origen de la vida hasta el futuro de la humanidad,” Debate, Madrid 1999 (si no conoces el libro, merece la pena).

En “Big Bang not yet dead but in decline,” Nature 377: 99, 14 September 1995, Maddox nos hablaba del artículo de N.R. Tanvir, T. Shanks, H.C. Ferguson, D.R.T. Robinson, “Determination of the Hubble constant from observations of Cepheid variables in the galaxy M96,” Nature 377: 27-31, 07 September 1995. Medidas obtenidas por el Telescopio Espacial Hubble en 1995 indicaban que había estrellas más viejas que el propio universo. La edad del universo se estimaba utilizando la constante de Hubble y la teoría de la gran explosión. El artículo de Tanvir et al. afirmaba que la constante de Hubble era H=69 ± 8 km/s/Mpc (un valor cercano al actual) pero que utilizando la teoría de la gran explosión (sin término de constante cosmológica) conducía a una valor de unos 10 mil millones de años para la edad del universo. Los modelos estelares indicaban que las estrellas más viejas tenían edades mayores de 13 mil millones de años. Como es obvio es imposible que el universo sea más joven que los objetos que contiene, por tanto la conclusión obvia es que la teoría de la gran explosión era incorrecta. Una terrible crisis para la cosmología que no resolvió hasta 1998, cuando el descubrimiento de la aceleración de la expansión cósmica gracias a las supernovas Ia resucitaron a la teoría de la gran explosión gracias a la existencia de la energía oscura. Las medidas más precisas de la edad del universo cuando se incluye el término de constante cosmológica indicaron que su edad era de unos 14 mil millones de años (gracias a WMAP ahora sabemos que es de unos 13,7 mil millones de años).

Ahora que alguna gente habla de que la supersimetría está a punto de morir no es mal momento para recordar que otras teorías “razonables” también han pasado épocas malas y han resurgido cual ave fenix con más fuerza y más energía.

Las predicciones “genéricas” de la teoría de cuerdas para el espectro de partículas supersimétricas

Esta figura muestra el espectro “genérico” de partículas supersimétricas predicho por la teoría de cuerdas según Gordon Kane, “String Theory Is Testable, Even Supertestable,” Physics Today, 1997. Observa que el Higgs (h) tiene una masa inferior a la de los bosones W y Z (hoy sabemos que no es así), que el stop (superpartícula asociada al quark top) tiene una masa inferior a 100 GeV (hoy sabemos que los squarks tienen masa superior a 350 GeV), etc. Los últimos datos del LHC en el CERN descartan existencia de la mayoría de estas superpartículas. ¿Pasa algo con las predicciones “genéricas” de la teoría de de cuerdas? No pasa nada de nada. La nueva predicción de Kane para agosto de 2011 (basada en el modelo que más le gusta, que él ha bautizado como teoría M tipo G2-MSSM) es la siguiente.

En la nueva predicción los squarks son un “poquito” más pesados, unos 50 TeV (es decir, unas 500 veces más pesados). Imposibles de descubrir en al LHC del CERN y quizás en los colisionadores de los próximos 50 años. La nueva predicción ajusta el Higgs donde le permiten los últimos límites de exclusión (entre 120 y 140 GeV, con preferencia alrededor de 127 GeV)  y el gluino (con unos 500 GeV) justo por encima de los límites mínimos actuales del LHC (en julio, EPS2011, se publicó que ATLAS descarta que el gluino tenga una masa inferior a 660 GeV y si los neutralinos tienen masa por debajo de 160 GeV; subiendo la masa de los neutralinos se reduce el límite de exclusión para la de los gluinos). También aparecen como observables en el LHC algunos neutralinos y charginos que podrían ser candidatos para la materia oscura. La nueva predicción se ha publicado en la charla de Kane en la conferencia String Phenomenology 2011.

Según Kane, estas predicciones son “genéricas” para la teoría de cuerdas (o teoría M), como decía que eran las predicciones de 1997. Los defensores de la teoría de cuerdas se alegrarán de que la teoría sea capaz de ajustarse a casi cualquier espectro de partículas posible y que permita predicciones tan bien ajustadas con lo que se sabe hoy en día. Los detractores de la teoría dirán que esto es un ejemplo ideal de que la teoría de cuerdas no es una teoría refutable experimentalmente. Predice todo lo predecible.

Kane en su charla también nos recuerda que el espectro de partículas “genérico” predicho por la teoría de cuerdas está limitado por los datos cosmológicos disponibles a partir del fondo cósmico de microondas. Según estas predicciones, tanto el gravitino como las superpartículas tienen masas superiores a 30 TeV. Artículos técnicos como el de Takeo Moroi, Lisa Randall, “Wino Cold Dark Matter from Anomaly-Mediated SUSY Breaking,” Nucl. Phys. B 570: 455-472, 2000 (ArXiv preprint), y el de Bobby S. Acharya, Piyush Kumar, Konstantin Bobkov, Gordon Kane, Jing Shao, Scott Watson, “Non-thermal Dark Matter and the Moduli Problem in String Frameworks,” JHEP 0806: 064, 2008 (ArXiv preprint). Lo curioso es que la predicción “genérica” de estos artículos para el Higgs está dentro de los límites permitidos hoy en día (esta predicción no es solo de la teoría M o de la teoría de cuerdas, sino de la supergravedad y de casi cualquier teoría supersimétrica).

El marco (framework) de la teoría de cuerdas tiene muchas soluciones posibles (el problema del panorama o “landscape”). La búsqueda de predicciones de la teoría de cuerdas es muy difícil, pero hay ciertas características “genéricas” que deben compartir las soluciones “razonables.” Según Gordon Kane, experto en la fenomenología de la teoría de cuerdas, un bosón de Higgs con una masa de unos 127 GeV y un gravitino que se desintegra en quarks de la tercera generación (bottom y top) con una masa del orden de 500 GeV son dos predicciones “genéricas” de la teoría de cuerdas que podrían confirmarse en el LHC del CERN en los próximos años.

Por cierto, esta entrada está basada en Peter Woit, “This Week’s Hype, Part III,” Not Even Wrong, August 25, 2011.

PS (29 ago. 2011): Puedes leer unas palabras del propio Kane (en la línea de mi entrada) en el blog de Tommaso Dorigo, “Gordon Kane On SUSY At The LHC,” A Quantum Diaries, August 28th 2011. He de confesar que escribí esta entrada el día 26 y la programé para hoy, cuando aún Tommaso no había publicado su entrada.

CMS del LHC excluye los gluinos con una masa inferior a 400 GeV (ver figura 2, derecha) en The CMS Collaboration, “Search for Supersymmetry in Events with Photons, Jets and Missing Energy,” CMS PAS SUS-11-009, CERN CDS 2011/08/24; CMS también ha estudiado el caso de gluinos ligeros y squarks muy pesados con conclusiones similares (ver figura 3, derecha, y figura 4), en The CMS Collaboration, “Search for supersymmetry in hadronic final states using M_{T2} in 7 TeV pp collisions at the LHC,” CMS PAS SUS-11-005, CERN CDS, 2011/08/26.

El “fotoelectromojado” (photoelectrowetting) o como mover microgotas de Coca Cola usando luz

El transporte de líquidos en sistemas implementados en microchips es importante en muchas áreas, como los microfluidos o los optofluidos. El movimiento del líquido en estos sistemas se provoca por medios mecánicos (bombas) o por “electromojado” (electrowetting). Steve Arscott (Universidad de Lille, Francia) ha descubierto un nuevo fenómeno, el “fotoelectromojado” (photoelectrowetting) que permite mover una gota de líquido conductor sobre un sustrato formado por un aislante y un semiconductor (una fina capa de teflón sobre una oblea de silicio dopada tipo p o n). La luz genera portadores de cargas en el semiconductor cerca de la superficie del sustrato, lo que altera la capacitancia de la interface con el líquido, modificando el ángulo de contacto de humectación de la gota; si se aplica la luz de forma asimétrica se provoca que la microgota empiece a moverse. Más sencillo imposible, iluminar una gota de líquido y observar como empieza a moverse hacia donde le lleva la luz. El artículo técnico es Steve Arscott, “Moving liquids with light: Photoelectrowetting on semiconductors,” ArXiv, 24 Aug. 2011 (el artículo cita unos vídeos pero no he podido encontrarlos). Por cierto, uno de los cinco líquidos que ha utilizado Arscott ha sido Coca Cola Cero (hecho que he enfatizado en el título). ¿Por qué ha utilizado Coca Cola? Quizás busque un Premio Ig-Nobel.

En el “electromojado” normalmente se utiliza una gota de un líquido conductor colocada sobre un sustrato formado por una fina capa aislante sobre un conductor. Sin embargo, Arscott ha estudiado el efecto de sustituir el conductor por un semiconductor (tanto de tipo p, como en la figura, como de tipo n). Al aplicar una diferencia de potencial entre la gota y el sustrato semiconductor cambia la capacitancia por unidad de superficie en la capa aislante y con ella la tensión superficial del líquido de la gota, lo que hace que su ángulo de humectación varíe. Para un semiconductor de tipo p, una diferencia de potencial positiva (negativa) hace que el ángulo de humectación aumente (disminuya). ¿Cuál es la ventaja de usar un semiconductor en lugar de un conductor como sustrato? En el semiconductor se forma una nueva capacitancia (Cs) que actúa en serie con la capacitancia del aislante (Ci), lo que permite un grado de libertad adicional para el control del electromojado. Si la diferencia de potencial se aplica de forma asimétrica, el ángulo de humectación variará de forma asimétrica y la gota se moverá por el sustrato. Este efecto ya ha sido utilizado en sistemas microfluidodinámicos para mover microgotas.

La idea de Arscott ha sido sustituir la aplicación de un potencial eléctrico asimétrico por una iluminación asimétrica de la gota de líquido. La capacitancia del sustrato es independiente de la iluminación, pero la capacitancia efectiva en el semiconductor (Cs) se puede modificar por dos vías, tanto por un cambio en el potencial eléctrico como por el uso de iluminación adecuada. Esta segunda posibilidad ha sido bautizada por Arscott como fotoelectromojado. La nueva configuración tiene la ventaja de que es muy fácil introducir una asimetría que provoque la gota se mueva por el sustrato utilizando luz.

Asrcott ha utilizado como aislante una fina capa de teflón (Politetrafluoroetileno o PTFE) colocada sobre una oblea de silicio convencional. Se han utilizado obleas con cuatro tipos diferentes de dopaje, que Arscott llama p+, p, n+, y n. Como líquidos conductores, Arscott ha utilizado una solución diluida de ácido clorhídrico, dos soluciones salinas, ácido acético y Coca Cola Cero (en una lata abierta 7 días antes del experimento), cuyas conductividades eléctricas son 3,64 mS/cm, 1,18 mS/cm, 0,12 mS/cm, 1,32 mS/cm, y 1,07 mS/cm. Las microgotas colocadas encima de la superficie de teflón tienen un volumen de unos pocos microlitros.

En resumen, un estudio realmente curioso que por el formato del preprint seguramente habrá sido enviado a Nature o a Nature Physics. Ya veremos si se lo aceptan.

¿Influye la religión en la propagación de las epidemias?

Un biólogo evolutivo, David Hughes, un historiador de la religión, Philip Jenkins, y un demógrafo, Jenny Trinitapoli, han observado que algunas de las religiones más populares hoy en día surgieron al mismo tiempo que se extendieron ciertas enfermedades infecciosas y proponen que la religión influyó en la propagación de dichas epidemias. Según Hughes y sus colegas, las creencias religiosas influyen en los comportamientos de las personas y puede provocar la propagación no intencionada de enfermedades. Por ejemplo, entre los años 800 a.C. y 200 a.C., florecieron las ciudades, las plagas mortales acabaron con casi dos tercios de la población y surgieron varias religiones modernas. Según la opinión de cada religión sobre la enfermedad, las epidemias se propagaron de forma diferente en cada región. La respuesta de la gente a epidemias como la poliomielitis, el sarampión o la viruela, dependió de su sistema de creencias religiosas, que a veces huyó de la enfermedad y otras trató de ayudar a los enfermos. Nos lo ha contado Elizabeth Pennisi, “Does Religion Influence Epidemics?,” ScienceNOW, 23 August 2011.

Según Hughes y sus colegas, en el caso concreto de la tradición cristiana, ayudar a los enfermos era una manera de llegar al cielo, aunque se corriera riesgo de muerte y se favoreciera la propagación de la enfermedad. Las enseñanzas islámicas renegaron de la existencia de las enfermedades contagiosas, en contra de la opinión de algunos eruditos árabes, por lo que no tenía sentido tratar de evitar a los enfermos, que eran cuidados en el seno de las familias. La doctrina judía atribuía la muerte a la voluntad de Dios y promovió la idea de que sólo Dios puede curar a alguien, así que no se incentivaba el cuidado a los enfermos.

Un ejemplo actual es la propagación del SIDA en Malawi, África. El SIDA es la mayor causa de muerte entre los adultos en Malawi, donde afecta a uno de cada 14 adultos. Algunas regiones tienen comunidades cristianas, otras musulmanes, y otras están más mezcladas. El 30% de los cristianos visita regularmente a sus enfermos, pero solo el 7% de los musulmanes lo hacen. En algunas regiones, la promesa de cuidados médicos está provocando cambios de doctrina religiosa. Muchos se acercan al cristianismo y sus variantes (movimiento pentecostal o las iglesias independientes africanas) buscando atención y cuidados, ya que en estas religiones se acepta como algo natural el cuidado a los enfermos por “extraños.” Estas son las conclusiones de un estudio realizado por el demógrafo Trinitapoli que encuestó a 3000 personas de 1000 poblados de Malawi.

La enfermedad también influye en la religión. Las grandes religiones de hoy en día surgieron en épocas con gran cantidad de enfermedades y conflictos sociales. Los investigadores afirman que cuando las personas se sienten amenazadas tienden a formar grupos cooperativos, especialmente entre los que están viviendo en las ciudades lejos de sus familias y tratan de encontrar sustitutos para ellas. La religión pueden haber llenado este tipo de vacío social que las personas pueden haber sentido. 

Un estudio curioso que Hughes y sus colegas han presentado en el 13th Congress of the European Society for Evolutionary Biology, Tübingen, 20-25 August, 2011.

Seis artículos en Science analizan el polvo del asteroide Itokawa traído a la Tierra por la sonda Hayabusa de la agencia espacial japonesa

El éxito de las misiones científicas espaciales tiene dos caras, que el experimento llegue a iniciarse y que los resultados ofrezcan alguna sorpresa que justifique la misión espacial. No siempre el éxito es doble. Lanzada en 2003, la sonda espacial Hayabusa alcanzó el asteroide Itokawa 25143 en 2005, tomando unas 1500 motas de polvo en una cápsula hermética que regresó a la Tierra en junio de 2010. Todo un tesoro para la Agencia de Exploración Espacial Japonesa, que había ensayado durante dos años cómo analizar dichas muestras sin contaminarlas. Itokawa 25143 es un asteroide cercano a la Tierra de tipo S (de silicio), típico del cinturón de asteroides más cercano a la Tierra. Gracias a las medidas espectroscópicas (la luz que se refleja en su superficie) se sabía que están hechos del mismo material que los meteoritos condríticos encontrados en la Tierra. Los científicos ya lo sabían, pero tenían que estar seguros. El nuevo análisis confirma dos cosas del tipo de quien fue primero el huevo o la gallina: por un lado, se demuestra que los asteroides son objetos arcaicos del sistema solar primitivo porque están formados por condritas; por otro lado, se confirma que las condritas son ejemplos de los materiales más antiguos del sistema solar. Una misión de 7 años que fue muy discutida cuando se creyó (durante 5 años) que las muestras podrían haberse contaminado durante el retorno a la Tierra. El análisis final parece indicar que no estaban contaminadas (porque tienen al composición que se esperaba que tuvieran). Repito lo dicho, el éxito de las misiones científicas espaciales tiene dos caras y en este caso solo podemos disfrutar de una de ellas, la otra, confirmar lo que ya se sabía, no ha ofrecido ninguna sorpresa. ¿Ha merecido la pena la misión? Sí, sin lugar a dudas.

Nos lo ha contado Alexander N. Krot, “Planetary Science: Bringing Part of an Asteroid Back Home,” Perspective, Science 333: 1098-1099, 26 August 2011. Los seis artículos científicos son Tomoki Nakamura et al., “Itokawa Dust Particles: A Direct Link Between S-Type Asteroids and Ordinary Chondrites,” Science 333: 1113-1116, 26 August 2011; Hisayoshi Yurimoto et al., “Oxygen Isotopic Compositions of Asteroidal Materials Returned from Itokawa by the Hayabusa Mission,” Science 333: 1116-1119, 26 August 2011; M. Ebihara et al., “Neutron Activation Analysis of a Particle Returned from Asteroid Itokawa,” Science 333: 1119-1121, 26 August 2011; T. Noguchi et al., “Incipient Space Weathering Observed on the Surface of Itokawa Dust Particles,” Science 333: 1121-1125, 26 August 2011; Akira Tsuchiyama et al., “Three-Dimensional Structure of Hayabusa Samples: Origin and Evolution of Itokawa Regolith,” Science 333: 1125-1128, 26 August 2011; y Keisuke Nagao et al., “Irradiation History of Itokawa Regolith Material Deduced from Noble Gases in the Hayabusa Samples,” Science 333: 1128-1131, 26 August 2011.

 

Las 1500 partículas de polvo analizadas están formadas por 5 minerales (algunos comunes en la Tierra y otros no). La combinación concreta de minerales observada no corresponde a ninguna roca terrestre lo que confirma que las partículas de polvo no han sido contaminadas durante su viaje de retorno a la Tierra. Ya se sabía la composición de los asteroides de tipo S  (gracias al análisis de sus espectros de reflexión) y las muestras la confirman de forma definitiva. La composición es similar a la de muchas condritas ordinarias pero no coincide de forma exacta con ellas. Según los autores la erosión por exposición a las condiciones del espacio (space weathering; gracias César por la aclaración) es la responsable de esta diferencia. Por ello, las muestras del asteroide permitirán estudiar y comprender mejor la erosión espacial en el interior del sistema solar (ya había sido estudiada en la Luna y Marte).

La agencia espacial japonesa lanzará en 2014 una nueva misión Hayabusa 2 que repetirá la hazaña en un asteroide de tipo C  (de carbono). Se espera que el número de muestras recogidas sea mayor. Dado que los asteroides de tipo C son muy ricos en agua y en materiales orgánicos, se espera obtener información muy relevante sobre el origen del agua y de la vida en el Sistema Solar.

PS (28 ago. 2011): Recomiendo la lectura de la entrada de César, “Resultados de Hayabusa: el origen de los meteoritos y los asteroides menguantes,” Experentia Docet, 26 agosto 2011. Para abrir boca, el primer párrafo de su estupenda entrada es “Uno de los logros más impresionantes de la astroquímica (cosmoquímica si somos puristas) acaba de adquirir carta de naturaleza con la publicación en Science de una serie de 6 artículos con los resultados de los análisis completos de unas 1500 partículas, de entre 3 y 180 µm de tamaño, recogidas directamente de la superficie de un asteroide por la sonda japonesa Hayabusa. Los datos confirman que los meteoritos que se encuentran más frecuentemente en la Tierra, las condritas, provienen de los denominados asteroides de tipo S (los rocosos, compuestos de silicio fundamentalmente) y que los asteroides disminuyen su tamaño como consecuencia de la erosión espacial, que también explica las anomalías espectrales observadas.”

La bicicleta que mi hijo quiere que le compre

Ya monta en bicicleta pero no sabe hacerlo como los mayores, soltando el manillar. Ya aprenderá. Por cierto a mí me gusta más esta otra bicicleta (aunque no se pueda montar). No en balde el artículo se publicó en Science (J. D. G. Kooijman et al., “A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Caster Effects,” Science 332: 339-342, 15 April 2011). Por cierto, hace unos años un doctorando me preguntó por qué no investigamos la física de la bicicleta y yo le contesté porque ya está muy estudiada; ¡qué equivocado estaba!

La anomalía de los antineutrinos en los reactores nucleares y los neutrinos estériles

Hay muchas noticias científicas de las que no nos hemos hecho eco en este blog, pero quizás tendríamos que haberlo hecho. En enero estuve a punto de hablar del artículo de G. Mention et al., “The Reactor Antineutrino Anomaly,” Phys. Rev. D 83: 073006, 2011 (ArXiv preprint, 14 Jan. 2011). Un artículo citado más de 40 veces en ArXiv y una de las noticias más importantes del año en cuanto a la física de los neutrinos (junto al descubrimiento de que el ángulo θ₁₃≠0). Los autores de este estudio descubrieron una anomalía sin explicación tras mejorar las técnicas para la predicción teórica de los resultados en su artículo Th.A. Mueller et al., “Improved Predictions of Reactor Antineutrino Spectra,” Phys. Rev. C 83: 054615, 2011 (ArXiv preprint, 14 Jan. 2011). Quizás sea buen momento de retomar esta cuestión, que he recordado por los recientes comentarios de Juan F. González Hernández en una entrada anterior. Por cierto, la noticia apareció ya en muchos medios gracias a Eugenie Samuel Reich, “The amazing disappearing antineutrino,”  News, Nature, Published online 1 April 2011.

La producción de antineutrinos en los reactores nucleares es debida a la desintegración beta, la transformación de un neutrón en un protón en el interior del núcleo inestable de un elemento radiactivo con la consiguiente emisión de un electrón y un antineutrino, con lo que el nucleido (A,Z) se transforma en (A,Z+1). Un análisis de 19 resultados publicados sobre el flujo de neutrinos en reactores nucleares ha encontrado un defecto en el flujo de antineutrinos en los detectores que se encuentran a menos de 100 metros del reactor. Un defecto del orden del 3% en el flujo de antineutrinos producido por los isótopos radiactivos ²³⁵U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu y ²³⁸U. El nuevo artículo afirma que el cociente entre la tasa de eventos observada y la predicha es de 0,943±0,023, que implica una desviación respecto a la unidad con una nivel de confianza del 98,6% (2,2 σ). ¿Qué puede explicar esta anomalía? Obviamente, podemos ser malos y pensar que los nuevos cálculos teóricos de Th.A. Mueller et al. para la tasa de emisión de antineutrinos por reactores  ocultan algún fallo que nadie ha sabido ver aún (los cálculos previos no predecían la anomalía conduciendo a 0,976±0,024). Otra posibilidad es que la anomalía observada, de solo 2,2 σ de confianza, podría ser una fluctuación estadística o el efecto de errores sistemáticos; hay que recordar que menos de 100 metros es una distancia muy corta para observar oscilaciones de neutrinos; aunque en descargo de los autores, que una fluctuación estadística esté correlacionada en 19 experimentos diferentes parece poco probable. Finalmente, la posibilidad más interesante es que estemos ante una señal de nueva física más allá del modelo estándar.

Mention et al. han estudiado la posibilidad de que la anomalía que han observado tenga su origen en la existencia de un cuarto neutrino estéril (los neutrinos faltantes oscilarían (cambiarían de tipo/sabor) a dicho neutrino). Combiando sus nuevos resultados con los de los experimentos GALLEX-I, GALLEX-II, SAGE-Cr, SAGE-Ar y MiniBooNE confirman dicha hipótesis (descartan la hipótesis contraria de que no haya oscilación al 99,8% C.L. o con una confianza de 3 σ). El problema con la existencia de este neutrino estéril es que su existencia junto a la anomalía de antineutrinos descartan al 90% C.L. que el ángulo θ₁₃>0 (el otro gran resultado de este año en física de neutrinos que contamos en “Los seis neutrinos que cambiaron el mundo“). Sin embargo, no todos los físicos están de acuerdo con este análisis de Mention et al. Por ejemplo, Schwetz et al. afirman que la anomalía es compatible con θ₁₃>0 con una confianza de 1,8  σ, y Fogli et al. que afirman que es compatible con sin² θ₁₃= 0,025 ± 0,007 con una confianza de 1 σ.

Cualquier evidencia de nueva física más allá del modelo estándar introduce una chispa en la mente de los físicos teóricos que no pueden evitar ofrecer soluciones “exóticas” (quizás sea parte de la genética de los físicos teóricos). Por ejemplo, la anomalía de los antineutrinos en los reactores podría estar causada por las dimensiones extra del espaciotiempo, como nos propone Pedro A.N. Machado et al., “An Alternative Interpretation for the Gallium and Reactor Antineutrino Anomalies,” ArXiv preprint, 12 Jul. 2011; ver también P.A.N. Machado, “Large extra dimensions and neutrino oscillations,” NuFact Aug 06, 2011.

Ya hemos hablado de neutrinos estériles en varias ocasiones en este blog (tanto a favor, como en contra de su existencia). Los fermiones con masa, partículas de espín 1/2 como el electrón, tienen dos componentes de helicidad definida, e_L y e_R; sin embargo, los fermiones sin masa pueden tener una sola componente de helicidad definida, como se pensaba que pasaba con los neutrinos antes de que se descubriera que tenían masa, ν_eL, ν_μL y ν_τL. Ahora que sabemos que los neutrinos tienen masa, luego tienen que existir sus componentes ν_eR, ν_μR y ν_τR. Hay dos posibilidades, que el neutrino sea una partícula de Dirac, como el electrón, o que el neutrino sea una partícula de Majorana (en cuyo caso sería idéntica a su antipartícula). La mayoría de los físicos teóricos prefieren esta última posibilidad, pero los datos experimentales todavían no han podido verificarla. Un neutrino estéril ν_sL sería un neutrino anti-ν_R de baja masa que no interacciona mediante las interacciones fundamentales del modelo estándar (las interacciones electrodébil y cromodinámica), pero que puede oscilar con los otros tres neutrinos.

La física de los neutrinos es una de las ramas de la física de partículas más excitantes en estos momentos que promete gran número de sorpresas en la presente década. Una de estas sorpresas podría ser el descubrimiento de la existencia de los neutrinos estériles que podrían ser la antesala a efectos más exóticos (como la violación de la simetría CPT). Los neutrinos estériles también podrían ser un candidato a explicar la materia oscura del universo (no sería materia oscura caliente, solo cálida o warm dark matter), aunque tendrían que tener una masa mucho mayor de 1 eV y los datos cosmológicos apuntan a que la suma de las masas de todos los neutrinos (incluidos los estériles, si existen) es inferior a 1 eV. De hecho, los datos del fondo cósmico de microondas de WMAP-7 son compatibles con la existencia de 3+1 neutrinos (aunque no descartan que haya solo 3 neutrinos). Además, resultados preliminares de IceCube se interpretan mejor con 3+1 neutrinos, aunque tampoco descartan que haya solo 3 neutrinos. Muchos resultados experimentales están a favor de la existencia de los neutrinos estériles y muchos otros están en contra. De hecho, hay quien a propuesto un modelo 3+2, con dos neutrinos estériles como una solución de compromiso que evitaría muchas de las dificultades en contra de la existencia de un solo neutrino estéril (como J. Kopp et al., “Are there sterile neutrinos at the eV scale?,” ArXiv preprint, 23 Mar 2011).

Publicado en Nature: El fenómeno de El Niño influye en la aparición de guerras civiles

Países afectados por El Niño (rojo) y no afectados (azul).

Los ejércitos de Napoleón y Hitler sufrieron el invierno ruso, la Armada Invencible sufrió los elementos en el Canal de la Mancha, sin lugar a dudas el clima y la meteorología influyen en la evolución de una guerra. Pero, ¿influyen también en el inicio del conflicto? Un estudio publicado en Nature ha encontrado una correlación convincente entre el fenómeno de El Niño/La Niña (ENSO) y el inicio de las guerras civiles en los países afectados por dicho fenómeno. Estudios previos con conclusiones similares han sido muy criticados porque la deducción de una relación causa-efecto a partir de un estudio de correlación es una cuestión muy delicada. Sin embargo, el nuevo trabajo de Hsiang et al. se ha publicado en Nature porque se supone que presenta el primer estudio cuantitativo riguroso que relaciona un conflicto civil con las variaciones del clima global. El fenómeno de El Niño corresponde a cambios cuasi-periódicos en la temperatura superficial del océano Pacífico ecuatorial oriental que a través de sus efectos sobre la circulación atmosférica influye en los patrones climáticos en todo el mundo. Hsiang et al. han didivido los países del mundo en dos grupos, los 93 países en los que el efecto de El Niño es fuerte (como Australia, Ghana, Laos, Sudán y Trinidad) y los 82 países que se libran de sus efectos (como España, Afganistán, Grecia, Letonia, Suecia y Túnez), y han correlacionado los conflictos civiles de estos países entre 1950 y 2004 y el índice anual de El Niño. El análisis ha identificado una relación estadística entre los conflictos y ENSO para el primer grupo, pero no para el segundo. En el primer grupo los conflictos aumentan un 3% en los años con La Niña y un 6% en los años con El Niño. Una hipótesis plausible para explicar los hallazgos de los autores es que las condiciones cálidas y secas durante los años de El Niño reducen la producción agrícola, dando lugar a conflictos relacionados con la disponibilidad de alimentos. Pero los autores del estudio prefieren otra hipótesis alternativa, que en los conflictos civiles la incorporación de agricultores a la lucha viene condicionada por las variaciones del clima. Nos lo ha contado Andrew R. Solow, “Environmental science: Climate for conflict,” Nature 476: 406–407, 25 August 2011, haciéndose eco del artículo técnico de Solomon M. Hsiang, Kyle C. Meng, Mark A. Cane, “Civil conflicts are associated with the global climate,” Nature 476: 438–441, 25 August 2011.

He de confesar que a mí estos estudios siempre me dejan con la mosca detrás de la oreja. Quién sabe, quizás soy demasiado escéptico. Os dejo la tabla con los resultados de las correlaciones estadísticas y de las series temporales por si alguien más ducho que yo en estadística puede opinar en los comentarios sobre su fiabilidad y confianza (a mí, la verdad, no me convencen).

Nuevo asalto de Kobkhidze contra la teoría de la gravedad emergente de Verlinde

Tres chicas saltando en la playa gracias a la gravedad emergente de Verlinde.

Archil Kobakhidze publicó en octubre de 2010 una posible refutación experimental de la teoría de Verlinde sobre la gravedad como fuerza entrópica. Sus argumentos han sido rebatidos por Chaichian et al. en un reciente artículo aceptado en Physics Letters B (ArXiv preprint), que a su vez él se ha visto obligado a rebatir. Según Kobakhidze, los experimentos con neutrones ultrafríos en un campo gravitatorio publicados en 2002 en Nature refutan la teoría propuesta en 2010 por Eric Verlinde que afirma que la gravedad es un fenómeno emergente. Hasta donde me consta, Erik Verlinde (Universidad de Amsterdam) no ha contestado personalmente a los argumentos de Kobakhidze. Las medidas de la gravedad en neutrones utilizando la ecuación de Schrödinger y un potencial newtoniano, en pleno acuerdo con la teoría de Newton (y la de Einstein), estarían en contradicción con la gravedad emergente de Verlinde. Según Kobakhidze, “estos experimentos con neutrones refutan sin ambigüedad el origen entrópico de la gravitación.” El nuevo artículo es Archil Kobakhidze, “Once more: gravity is not an entropic force,” ArXiv, 21 Aug 2011 (se ha hecho eco de este artículo KFC, “Experiments Show Gravity Is Not An Emergent Phenomenon,” ArXiv blog, 24 aug. 2011).

La razón que expone Kobakhidze para afirmar que la teoría de la gravitación de Verlinde y la de Newton dan resultados diferentes para un sistema cuántico es la siguiente. La ecuación (3.14) del artículo original de Verlinde afirma que una partícula de prueba con masa m en el campo gravitatorio generado por otra partícula de mayor masa M, está descrita por un número de microestados  que depende de la distancia entre ambas masas según

.

Kobakhidze afirma que esta ecuación implica que la entropía de la partícula de prueba cambia con la distancia según la fórmula

.

Esta fórmula describe bien la gravedad para sistemas macroscópicos pero contradice los resultados experimentales en sistemas microscópicos. El hamiltoniano cuántico asociado a esta fórmula conduce a un potencial en la ecuación de Schrödinger que difiere del newtoniano, por lo que sus soluciones difieren de los resultados verificados en los experimentos con neutrones. Chaichian et al. critican a Kobakhidze afirmando que esta última fórmula no es correcta ya que su interpretación holográfica en el marco de las ideas de Verlinde lleva a una contradicción (por lo que no puede ser una consecuencia de dicha teoría).

En el nuevo artículo, Kobakhidze se reafirma en su fórmula, la deriva de nueva manera y presenta argumentos en contra de la contradicción concreta descubierta por Chaichian et al. Según él, estos autores se confunden a la hora de contar los microestados en una pantalla holográfica y por ello su cuenta no coincide con la que implica la fórmula anterior; en este sentido sus argumentos afirmando que esta fórmula es incorrecta se caen por su propio peso. No entraré en los detalles (remito a los interesados a los artículos originales), pero sus argumentos (muy sencillos) parecen convincentes.

Habrá que estar al loro de la respuesta de Verlinde… que en este asunto parece estar más callado que una tumba.

Tras superar los 2,5 /fb de colisiones en ATLAS y CMS, el LHC del CERN entra en una nueva parada técnica de dos semanas

El lunes 22 de agosto a las 18:00 horas se paró de forma intencionada la última inyección de protones con haces estables en modo colisiones (fill #2040) para dar paso a una parada técnica (sin entrar en modo colisiones) durante un par de semanas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Esta inyección tuvo una duración de 17:36 horas y acumuló unos 83 /pb en ATLAS y CMS. Ahora mismo ATLAS ha logrado acumular una luminosidad integrada durante 2011 de 2,65 /fb y CMS de 2,57 /fb. Durante la parada técnica se realizarán muchas pruebas y entre ellas la inyección de hasta 288 paquetes separados por 25 ns (actualmente en modo colisiones se trabaja con 1380 paquetes separados por 50 ns).

Nueva combinación no oficial de Philip Gibbs (viXra log) para la búsqueda del bosón de Higgs

Como no podía ser menos, Philip Gibbs acaba de publicar su “New Unofficial Higgs Combo,” 22 aug. 2011, utilizando los datos publicados por ATLAS y CMS ayer lunes en Mumbai, India. La nueva figura combinada (no oficial) indica que el bosón de Higgs del modelo estándar tiene una masa entre 115 y 135 GeV. Además, desaparece la señal de casi 3 sigma sobre un posible Higgs entre 125 y 145 GeV. Philip también ha publicado la combinación de los datos de LHC publicados ayer con los datos del Tevatrón publicados en julio, resultando la siguiente figura.

La diferencia más notable con la figura anterior está en la región entre 100 y 120 GeV. Pero lo más interesante es la gráfica no oficial que Philip nos presenta hoy en “Higgs Signal Plots.” Esta nueva figura presenta la diferencia entre los niveles de confianza observado y esperado para la señal del Higgs junto con las bandas estadísticas a una y dos desviaciones. La posición relativa de la línea negra con respecto a las líneas roja y verde determina la probabilidad de las dos opciones posibles, que no exista el Higgs y que sí exista. La ausencia de un Higgs corresponde a la línea negra colocada en la región indicada por cero (línea roja) y la existencia de un Higgs por su colocación en la región indicada por uno (línea negra).

Esta figura muestra que por encima de 155 GeV la señal es consistente con la ausencia del Higgs. Por debajo de 135 GeV la banda de error es tan grande que permite las dos posibilidades (presencia o ausencia del Higgs). En la región entre 135 y 150 GeV esta figura no aclara mucho, pura incertidumbre.

En resumen, Philip Gibbs está realizando un trabajo pionero muy interesante combinando figuras producidas por el LHC y el Tevatrón, algo que parece imposible que pueda realizar un aficionado (Philip es un físico británico que no trabaja en física de partículas elementales sino, creo, en la industria). Él decidió crear un servidor de preprints (http://vixra.org) competencia de ArXiv, porque en este último no le dejaban publicar sus preprints (le faltaba un aval adecuado). ViXra se creó para aceptar todo, todo sin restricciones (salvo los casos extremos de abuso). ViXra.org (cuyo nombre es una parodia del de arXiv.org) no ha tenido mucho éxito (solo se han publicado unos 2000 artículos/preprints), pero Philip creó un blog para promocionarlo que está logrando convertirse en toda una referencia en la física de partículas elementales.

El mecanismo de Higgs se observa en un material llamado aislante topológico

Un aislante topológico es un material exótico que conduce la electricidad por su superficie (por las mismas leyes físicas que en el grafeno), pero que es un aislante en su volumen interior. Por analogía física estos materiales permiten estudiar partículas de alta energía como los axiones, las partículas de Majorana y los fermiones de Dirac sin masa. T. Sato et al. han descubierto una transición de fase en estos materiales por la que los fermiones de Dirac sin masa adquieren masa de forma espontánea gracias a un proceso muy similar al mecanismo de Higgs responsable de la ruptura espontánea de la simetría electrodébil. Los fermiones de Dirac sin masa en la fase topológica del material, durante la transición a una fase no topológica, adquieren masa justo antes de desaparecer en dicha fase no topológica. Este resultado ha pillado por sopresa incluso a los propios autores del descubrimiento y ahora que está tan de moda la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC del CERN nos recuerda que muchas de las propiedades del mecanismo de Higgs se podrán estudiar gracias a analogías físicas como ésta. El artículo técnico es T. Sato et al., “Unexpected mass acquisition of Dirac fermions at the quantum phase transition of a topological insulator,” Nature Physics, online 14 August, 2011. Más información sobre aislantes topológicos en Geoff Brumfiel, “Topological insulators: Star material,” News Feature, Nature 466, 310-311, 15 July 2010, y Charles Kane, Joel Moore, “Topological insulators,” Physics World, Feb. 2011, 32-36. En este blog ya hablamos de estos materiales en “Dopar un aislante topológico con impurezas magnéticas rompe la simetría de inversión temporal y abre una nueva vía a la espintrónica,” que tienen el honor de ser el tema de una clase especial del Dr. Sheldon Cooper en la serie de televisión “Big Bang.”  

Un aislante topológico es un material exótico que conduce electricidad por su superficie pero actúa como aislante en su volumen interior. La conducción de electrones en su superficie es similar a la observada en materiales planos como el grafeno (de un solo átomo de grosor) gracias al efecto Hall cuántico de espín, descubierto en 2004 por Charles Kane, físico teórico de la Universidad de Pensilvania, Filadelfia; Joel Moore, teórico de la Universidad de California, Berkeley, y sus colegas predijeron que podrían existir materiales tridimensionales aislantes con estas propiedades y les llamaron “aislantes topológicos.” La clave de la conducción superficial de los electrones es el acoplamiento entre la dirección de su espín y su dirección de movimiento, que vienen unívocamente determinados; la relación energía-momento está en el “cono de Dirac” igual que en el grafeno.

En 2006, Shoucheng Zhang, Universidad de Stanford en Palo Alto, California, y su equipo predijeron que un cristal de mercurio y telurio podría ser un aislante topológico. Un año más tarde Laurens Molenkamp, físico de la Universidad de Würzburg, Alemania, y su grupo lograron demostrarlo. Estos materiales son muy caros y difíciles de fabricar. En 2008 se obtuvieron aislantes topológicos basados en el bismuto, mucho más baratos y fáciles de fabricar. Hoy en día decenas de grupos de investigación estudian estos materiales exóticos que prometen gran número de aplicaciones prácticas.

El movimiento colectivo de los electrones dentro de los aislantes topológicos tiene unas propiedadees especiales que les hace ser un material ideal para realizar analogías físicas de fenómenos cuánticos relativistas. Se han observado análogos de los axiones (partículas hipotéticas predichas en los 1970), monopolos magnéticos, partículas de Majorana (fermiones neutros, sin masa e idénticos a sus antipartículas) y partículas de Dirac sin masa. Estas analogías no solo sirven para experimentar en el laboratorio con fenómenos más allá del alcance de los experimentos de alta energía, sino que también tienen aplicaciones prácticas. Por ejemplo, las partículas de Majorana son útiles en la computación cuántica topológica ya que los estados cuánticos de estas partículas que implementan los cubits son muy resistentes a la decoherencia cuántica (el efecto del entorno que impide que los ordenadores cuánticos tengan muchos cubits).

Por ahora el nuevo descubrimiento no parece tener aplicaciones prácticas más allá de ayudar a los físicos fenomenológicos a entender el mecanismo de Higgs. Sin embargo, los autores mencionan posibles aplicaciones en computación cuántica.

Objetivo cumplido: El satélite Planck logra cuatro mapas completos del fondo cósmico de microondas

El satélite Planck de la ESA, lanzado el 14 de mayo de 2009 (junto a Herschel), completó su cuarto mapa completo del cielo el 29 de julio de 2011 (necesita 6 meses para cada uno). El satélite Planck se diseñó para garantizar dos mapas completos del cielo; la parte más crítica, su sistema criogénico, se diseñó con una vida media nominal de 14 meses (tras alcanzar el punto de Lagrange L2, lo que logró el 2 de julio de 2009). El resto de los instrumentos se diseñaron para lograr cuatro mapas completos del cielo. Tras 25 meses, Planck sigue funcionando a la perfección y no hay señales de que su sistema criogénico ni sus instrumentos de medida estén dando problemas. Ya ha iniciado su quinto mapa completo del cielo, que finalizará a finales de noviembre de 2011 si todo sigue a las mil maravillas. Nadie había planificado un sexto mapa del cielo (el helio necesario para el sistema de refrigeración se estima que se consumirá a los 30 meses de operación, más o menos, a finales de enero de 2012). Si fuera posible obtener un sexto mapa del cielo la misión requerirá financiación adicional. Esta noticia es de finales de julio, pero más vale tarde que nunca. “Latest News,” Planck Science Team Home, 29 Julio 2011.

El Instrumento de Alta Frecuencia (HFI) del satélite Planck utiliza unos detectores (bolómetros que trabajan con 6 frecuencias en el rango 100-850 GHz) enfriados a -273,05°C, tan solo 0,1°C por encima del cero absoluto (-273,15°C o cero Kelvin). La ESA presume que Planck es el objeto conocido más frío en el espacio (los objetos más fríos del universo se encuentran en los laboratorios terrestres en los que se trabaja con condensados de Bose-Einstein). Planck está equipado con un sistema de refrigeración pasivo que reduce su temperatura hasta unos -230°C radiando calor al espacio y tres refrigeradores activos que reducen aún más la temperatura: un refrigerador de 20K (diseñado en el Jet Propulsion Laboratory, California, Estados Unidos), otro de 4 K (diseñado por el Rutherford Appleton Laboratory en Didcot, y Astrium, ambos en el Reino Unido) y el último de 0,1 K (diseñado por el Centre de Recherches des Très Basses Températures, en Grenoble, Francia y el Institut d’Astrophysique Spatiale, en Orsay, Francia, así como DTA Air Liquide, también en Grenoble, Francia). Este último refrigerador activo está basado en una dilución de ³He y ⁴He (dos isótopos del helio con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones); en concreto, el ³He está disuelto en ⁴He para lograr la refrigeración. Lo que limita la vida del HFI es la cantidad de helio almacenado en los cuatro depósitos que dispone el satélite. Se estima que a finales de enero de 2012 se habrá consumido todo el helio útil. A partir de dicho momento Planck seguirá tomando datos pero utilizando solo el Instrumento de Baja Frecuencia (LFI) cuya temperatura de funcionamiento son 20 K. Se estima que esta segunda parte de la misión durará un año.

Todos los datos sobre el fondo cósmico de microondas obtenidos por Planck están embargados. En enero de 2011 se presentaron 25 artículos con los primeros resultados del satélite Planck, pero en todos los resultados se eliminaron los datos del fondo cósmico de microondas. Oficialmente verán la luz por primera vez en la conferencia “The Planck Sky: Results and perspectives,” en Bolonia, 13-17 de febrero de 2012. Hasta entonces tendremos que esperar. Lo bueno es que ya queda poco, muy poco.

Gracias a todos la revista Amazings saldrá a la calle al haberse alcanzado el 100% de financiación en Lanzanos

Todo el mundo la sabía, el día que se abriera el plazo para poder pagar con tarjeta de crédito (en lugar de vía PayPal) la revista Amazings alcanzaría el 100% de financiación en un abrir y cerrar de ojos. Y así ha sido. Dentro de unos 40 días, cuando finalice el plazo, se empezarán a imprimir los ejemplares y serán enviados a todos los que los hayáis/hayan adquirido. Anímate si no te has apuntado ya y consigue tu número. La política de Lanzanos es que hasta que faltasen 41 días para finalizar el plazo no se podría apoyar el proyecto de la Revista Amazings mediante tarjeta de crédito. Ahora ya puedes hacerlo, desde hoy mismo ya puedes. Se abrió el plazo cuando se tenía un 93% de la financiación y ahora ya se supera el 103% y sigue aumentando. El número #1 de la revista verá la luz, pronto. No pierdas la oportunidad, “porque en realidad no estarás “comprando” una revista, en este proyecto estarás siendo el protagonista, el que la ha hecho posible… muchas gracias.”

Nuevos límites de exclusión para la masa del bosón de Higgs en el LHC con hasta 2,3 /fb de colisiones

Hoy, en la conferencia Lepton Photon 2011 en Mumbai, India, se han presentado los nuevos límites de exclusión para la masa del bosón de Higgs obtenidos por los dos grandes experimentos del LHC en el CERN, ATLAS y CMS, que en algunos canales de búsqueda alcanzan la friolera de 2,3 inversos de femtobarn de datos (en concreto, el canal H→ZZ→4l en ATLAS). El nuevo límite de exclusión indica que el bosón de Higgs tiene una masa entre 115 y 145 GeV/c². ATLAS no excluye los intervalos de masa entre 232 y 256 GeV/c², entre 282 y 296 GeV/c², y por encima de 466 GeV/c². CMS no excluye los intervalos de masa entre 216 y 226 GeV/c², entre 288 y 310 GeV/c², y por encima de 400 GeV/c². Los rumores que apuntaban a que el bosón de Higgs tenía una masa alrededor de 144 GeV/c² (o en el intervalo entre 135 y 145 GeV/c²) obtenidos combinando de forma no oficial los datos de ATLAS y CMS publicados en julio no han sido confirmados. Por un lado, la combinación oficial de los datos de ATLAS y CMS no se ha publicado (parece ser no estará lista hasta dentro de un par de semanas). Por otro lado, las señales de un Higgs con dicha masa en las combinaciones de ATLAS y CMS por separado, con casi el doble de datos en muchos canales, son menos claras que hace un mes; no han desaparecido, pero son menos claras, lo que podría ser indicativo de que se trata de simples fluctuaciones estadísticas. Estas nuevas figuras muestran el buen estado de la búsqueda del Higgs en el LHC y de sus dos colaboraciones principales, ATLAS y CMS. ¿Por qué no se ha publicado el resultado combinado ATLAS+CMS con datos de julio? Según Philip Gibbs, se esperaba que dicho resultado mostrara un exceso claro para un Higgs con una masa de 144 GeV, pero desde el CERN podrían haber preferido no mostrar este resultado combinado para evitar que muchos medios hagan apuestas prematuras sobre un Higgs con dicha masa. Quizás tenga razón. Lo que está claro es que la combinación no oficial es suya y que pronto publicará otras nuevas con los nuevos datos.

En relación a las figuras de ATLAS, puedes encontrar más información en “ATLAS advances in the search for the Higgs and New Physics,” ATLAS Experiment, 22 August 2011 y en el artículo técnico The ATLAS collaboration ”Update of the Combination of Higgs Boson Searches in 1.0 to 2.3 /fb of pp Collisions Data Taken at √s = 7 TeV with the ATLAS Experiment at the LHC,” ATLAS-CONF-2011-135, August 21, 2011; las transparencias de la charla de Aleandro Nisati (INFN - CERN) “Higgs Searches at ATLAS,”  ya están disponibles en la web [Slides in PDF]. En relación a las figuras de CMS, puedes encontrar más información en CMS News, “New CMS Higgs Search Results for the Lepton Photon 2011 Conference,” August 22^nd 2011, y en las transparencias de la charla de Vivek Sharma (Universidad de California, San Diego), “Higgs Searches at CMS,” Lepton Photon 2011, Mumbai, 22 august, 2011 [Slides in PPTX y Slides in PDF].

Una breve explicación para los más despistados. El bosón de Higgs es una partícula predicha por la teoría del modelo estándar de las partículas elementales. En concreto, la unificación electrodébil de las interacciones electromagnética y débil utiliza el llamado mecanismo de Higgs para explicar por qué a baja energía se observan dos interacciones separadas pero a alta energía están unificadas en una sola. El mecanismo de Higgs explica por qué los bosones débiles W y Z tienen una masa enorme (unas 90 veces la masa del protón) mientras que el fotón tiene masa en reposo nula. Como el fotón tiene masa nula, aparece una partícula neutra de espín cero (partícula escalar), el bosón de Higgs, que interacciona (de forma no lineal) consigo mismo y se dota a sí mismo de masa; esta partícula se llama bosón de Higgs porque, aunque el me. Hay una gran evidencia experimental (pruebas irrefutables) de la unificación electrodébil por lo que nadie duda de ella. Como la simetría electrodébil a baja energía está rota (electromagnetismo e interacción débil están separadas), pocos tenemos dudas de que el bosón de Higgs existe y será encontrado en el LHC del CERN.

El mecanismo de Higgs además de dotar de masa a los bosones débiles W y Z, también permite dotar de masa al resto de las partículas del modelo estándar (fermiones y quarks). Las partículas con masa interaccionan con el bosón de Higgs y adquieren masa (en lenguaje llano, una partícula “se come” un Higgs y adquiere masa). Si la constante de interacción entre una partícula y el bosón de Higgs es λ, entonces la partícula adquiere una masa M=v λ/√2, donde ves la energía a la que se produce la ruptura de la simetría electrodébil, que se estima en unos 246 GeV. Nadie sabe el porqué pero para el quark top esta fórmula da una predicción muy buena de su masa si se utiliza λ=1 (los límites experimentales indican que λ=1,0±0,1). Por alguna razón la constante de acoplamiento entre el Higgs y el quark top es igual a la unidad.

El modelo estándar no predice la masa del bosón de Higgs porque esta masa depende de cómo interaccione el bosón de Higgs consigo mismo (en lenguaje llano, un Higgs ”se come” a otro Higgs para adquirir masa). Aunque no predice su masa, fijado un valor concreto para dicha masa, el modelo estándar predice todas las demás propiedades del bosón de Higgs con gran precisión (por ejemplo, la probabilidad de su producción y/o desintegración en cualquier modo (canal) posible). Gracias a ello sabemos que encontrar el bosón de Higgs es muy difícil (la probabilidad de producirlo en el Tevatrón o el LHC es muy baja y se requiere acumular muchísimas, billones, de colisiones). Más aún cuando el acelerador de partículas LEP2 del CERN, en el que colisionaban electrones y positrones hasta septiembre de 2001, demostró que el bosón de Higgs tiene una masa en reposo mayor de 114,4 GeV/c². Una masa enorme que ha hecho casi imposible pensar en buscar el Higgs en el Tevatrón del Fermilab (cerca de Chicago) hasta llegado el año 2008. Desde entonces la búsqueda del Higgs se ha convertido en uno de los temas estrella de la física de partículas elementales.

La búsqueda de una partícula elemental predicha por el modelo estándar es mucho más fácil que la búsqueda de una partícula predicha por otros modelos de física más allá del modelo estándar porque sus propiedades se pueden calcular con precisión (no es fácil hacerlo pero hay muchos físicos que saben como hacerlo y lo están haciendo). Para cada posible valor de la masa del bosón de Higgs, el modelo estándar predice que es lo que se observará en las colisiones protón-antiprotón del Tevatrón o en las colisiones protón-protón del LHC, suponiendo que el bosón de Higgs existe y tiene dicha masa, y suponiendo que el bosón de Higgs no existe. Comparando ambas predicciones podemos excluir la existencia de un bosón de Higgs con cierta masa. Este proceso requiere un análisis estadístico y los resultados se obtienen con cierto nivel de confianza estadística, normalmente se usa el 95% (CL), lo que significa que hay menos de una posibilidad entre veinte de que el bosón de Higgs tenga cierto valor de la masa. El análisis estadístico requiere combinar las predicciones teóricas para varios canales de desintegración con los resultados observados en los experimentos. En el Tevatrón se está buscando el Higgs en casi 20 canales o modos de desintegración, pero en ATLAS solo se están utilizando 9 canales.

Mi aclaración sobre las figuras que abren esta entrada no era muy rigurosa así que he editado los comentarios (gracias a Alberto Ruiz que en los comentarios ha destacado mis errores). Estas dos figuras obtenidas por CMS son similares a las gráficas que abren esta entrada, pero se centran en dos canales de búsqueda del Higgs concretos, la desintegración en dos fotones (ideal para estudiar un Higgs de baja masa, pero que todavía no es capaz de excluir al bosón de Higgs en ningún rango de masas) y la desintegración en dos bosones W (ideal para estudiar un Higgs de mayor masa, que es capaz de excluir al Higgs). [Entre comillas indico las palabras de Alberto]. Estas ”gráficas muestran el limite al 95% de C.L. del cociente entre la sección eficaz observada (línea continua) o esperada (línea discontinua) y la que se obtiene de la teoría” (la línea horizontal roja). “Se muestran esos límites como función de la masa del bosón de Higgs. En el caso de la esperada (el numerador de ese cociente) se refiere a la hipótesis nula, es decir, sin bosón de Higgs.” “La diferencia entre línea continua y discontinua es que la continua se basa en la observación real, los datos que se tienen, mientras que la discontinua se basa en lo que uno esperaría dadas las características del detector y del método. Esta última la que se suele estudiar primero, para conocer la sensibilidad del experimento. La continua se obtiene después, es decir se analiza un examen “ciego” antes de ver lo que proporcionan los datos, a fin de no estar sesgado el método.”

“Si el valor de la línea continua está por debajo de la unidad quiere decir que el Higgs, con esa masa, está excluido al 95%, o, dicho de otro modo, que la probabilidad de existencia del bosón de Higgs a esa masa es menor del 5%.” Cuanto más baja esté la línea, con mayor probabilidad quedará excluido el Higgs. ”Como la línea discontinua se ha realizado con la hipótesis nula, cuando pasa por debajo de la unidad nos indica que el método utilizado es sensible (al 95% de CL) a la observación de la existencia del bosón de Higgs.” Por ejemplo, los datos de CMS y ATLAS son sensibles al rango de masas mayor de 130 GeV (hasta por encima de 440 GeV), sin embargo los datos experimentales solo permiten excluir al Higgs en el rango de masas mayor de 145 GeV (hasta un poco por encima de 215 GeV).

Cuando la línea discontinua está por encima de la unidad para cierta masa significa que aún no se han acumulado suficientes colisiones para observar o descartar el Higgs con dicha masa. Por ejemplo, en la figura de arriba que muestra el canal de desintegración H→γγ en el que CMS ha analizado 1,66 /fb de colisiones, aún no se han acumulado suficientes colisiones; dicha desintegración del Higgs es muy poco probable y muy difícil de observar. En la otra figura de arriba, la que muestra el canal de desintegración H→WW en el que CMS ha analizado 1,55 /fb de colisiones, se han acumulado suficientes exclusionese para excluir el Higgs en el intervalo entre 136 y 200 GeV, sin embargo los datos experimentales solo lo excluyen en el intervalo entre 147 y 194 GeV.

Tanto el resultado esperado como el resultado observado tienen cierta incertidumbre. Por costumbre se acompaña la figura de exclusión de masa del Higgs con una bonita banda brasileña (con los colores de la bandera brasileña). La banda verde corresponden a una incertidumbre estadística de una desviación típica y la línea amarilla a dos desviaciones típicas (en física de partículas un descubrimiento requiere cinco desviaciones típicas). Si la línea continua se separa mucho de la línea discontinua indica que hay una fluctuación estadística respecto a la hipótesis nula o que se esconde algo interesante respecto al bosón de Higgs para dichos valores de la masa. Por ejemplo, para la región alrededor de 144 GeV la línea continua está por encima de la unidad y es mayor de dos desviaciones típicas respecto a la línea discontinua. Una fluctuación de dos sigma, incluso de tres sigma, suele ser una fluctuación estadística (salvo en los casos excepcionales en los que es la primera señal de un descubrimiento). Un bosón de Higgs con una masa e unos 144 GeV implicaría que la línea continua baje por debajo de la unidad en la región de masas por debajo de 140 GeV, algo que no se observa en las figuas que abren esta entrada (aunque el número de colisiones acumulado por CMS sería sensible a ello por encima de 130 GeV).

Finalmente, “cuando se descubra el Higgs lo más lógico es que en torno a su valor de masa, la línea continua se mantenga por encima del valor de 1, mientras que la discontinua estará por debajo” (cuanto más abajo más clara será la señal que apunta al descubrimiento del Higgs). El rumor de este verano sobre la posible existencia de un Higgs en la región alrededor de 144 GeV (entre 135 y 145) se debe a que en dicha región se observa que la línea continua está un poco por encima de la unidad mientras que la línea discontinua está a más de dos desviaciones (sigmas) por debajo de la unidad. Las nuevas figuras de ATLAS y CMS que abren esta entrada confirman este punto, aunque con menos claridad de lo que se esperaba tras los resultados publicados en julio. Quizás todo sea una simple fluctuación estadística. Os he mostrado arriba las figuras de CMS de los canales  H→γγ y H→WW porque como se puede ver en la figura del primero hay un exceso muy claro alrededor de 140 GeV y en la segundo sin embargo dicho exceso no se observa. Quizás el origen del exceso observado en las figuras que abren esta entrada sea el exceso en el canal H→γγ, para el que los experimentos del LHC aún no tienen suficientes colisiones acumuladas como para tener una sensibilidad suficiente (la línea discontinua está entre 2 y 4).

En opinión de Alberto, “no tiene sentido” hablar todavía de pruebas que apunten al Higgs. “Si el Higgs tuviese 144 GeV, la línea negra estaría por encima de 1, hacia el valor de 144 GeV, y por debajo para el resto, si se tiene suficiente sensitividad en el resto, lo cual no será tan sencillo, sobre todo para masas en torno a 120 GeV.” Ahora mismo la línea no baja como debería, lo que descarta esta posibilidad, según Alberto de forma rotunda. Los resultados que se publicarán en diciembre de 2011 y en febrero de 2012 descartarán definitivamente un Higgs de 144 GeV, o lo confirmarán fuera de toda duda. Para entonces se espera alcanzar una sensibilidad por encima de 120 GeV y justo por debeja de los 140 GeV se alcanzará una sensibilidad superior a 4 sigma.

Todavía es pronto para lanzar las palomas al vuelo o ponerse a tañer las campanas. La búsqueda del bosón de Higgs es como novela por entregas que estamos disfrutando día a día, casi en directo. Nada similar ocurrió con la búsqueda del quark top o con ninguna otra partícula elemental predicha por el modelo estándar.

Más información en CERN Press Release, “LHC experiments present latest results at Mumbai conference,” 22 August 2011. El próximo miércoles 25 de agosto habrá una rueda de prensa en Mumbai en la participará el director general del CERN, Rolf Heuer.

Me he enterado tarde… pero hay un webcast del CERN con las charlas de Lepton Photon 2011 en directo.

Estas figuras muestran la significación estadística (CLs) con la que se excluye el bosón de Higgs del modelo estándar, tanto para CMS (arriba, con banda brasileña) como para ATLAS (abajo). Estas figuras permiten ver dónde se excluiría el bosón de Higgs sin en lugar de usar un criterio del 95% se utilizara otro criterio (el 90% o el 99%). Donde el valor presentado por estas figuras sea más pequeño más confianza se tiene a que la exclusión observada es más fiable.

Esta figura muestra los límites de exclusión para la masa del Higgs si existieran 4 generaciones de partículas. La figura excluye al 95% C.L. un Higgs con una masa en el intervalo 120-600 GeV, aunque la línea discontínua (valor teórico esperado) lo excluiría en el intervalo 116-600 GeV). La verdad es que no se ve nada claro pero parece que el exceso está entre 1 y 2 sigma. Si el bosón de Higgs fuera encontrado con una masa mayor de 120 GeV entonces esta figura excluiría una cuarta generación de partículas elementales.

Esta entrada ha tenido una vida accidentada, ya que he cambiado el título y gran parte de los contenidos durante esta mañana. Quizás haya futuros retoques, conforme hoy mismo se vayan publicando nuevos resultados sobre el Higgs que merezcan ser reportados…

La noticia sobre el Higgs en otros blogs/medios: Fermi National Accelerator Laboratory and Brookhaven National Laboratory, “LHC experiments eliminate more Higgs hiding spots,” Symmetry Breaking, August 22, 2011.

Quisiera destacar la interesante entrada de  Tommaso Dorigo, “New ATLAS Limits On Higgs Mass,” A Quantum Diaries Survivor, August 22nd 2011, que nos destaca la siguiente figura de ATLAS (que aparece en el artículo que mencio al principio de la entrada). El artículo de Tommaso, como siempre, merece la pena.

Esta figura publicada por ATLAS muestra el nivel de confianza (valor p) de compatibilidad entre los datos esperados, si hay un bosón de Higgs con cierta masa, y los datos experimentales observados. En el eje horizontal aparece la masa del bosón de Higgs. En el eje vertical hay dos curvas. La curva en negro el valor p observado para la compatibilidad entre los datos observados y el fondo de colisiones (ruido) esperado; la curva discontinua es el valor p esperado en ATLAS si hubiera un bosón de Higgs con la masa correspondiente. Una señal de la posible existencia de un bosón de Higgs con cierta masa se mostrará en esta figura como la coincidencia de ambas curvas. Para la fluctuación observada alrededor de 140 GeV, esta figura muestra que si se trata de un bosón de Higgs con esta masa entonces ATLAS ha tenido muy mala suerte (palabras de Tommaso) ya que se esperaba un exceso con más de tres desviaciones estándar y solo se obtuvieron unas dos. Según Tommaso esto indica claramente que dicha señal no está en los datos. Para Tommaso es mucho más interesante el “exceso” que se observa entre 125 y 130 GeV (flecha verde central); el exceso aparece en el gráfico donde se espera que tendría que aparecer si hubiera un Higgs allí, ya que las dos curvas negra y discontinua coinciden allí. Por supuesto, también hay otra coincidencia (primera flecha verde) alrededor de 100 GeV donde LEP2 descarta un Higgs con mucha confianza.

PS (24 ago. 2011): Geoff Brumfiel, “Higgs signal sinks from view,” News, Nature, 22 august 2011: ”The Higgs boson, the most sought-after particle in all of physics, is proving tougher to find than physicists had hoped.”

El LHC del CERN y la nueva era en la física de partículas elementales

En física de partículas, el número de colisiones que se almacenan en disco para su análisis posterior se denomina “luminosidad integrada” y se mide en unidades llamadas inversos de femtobarn (denotado /fb o fb⁻¹). El LHC del CERN durante todo el año 2010 acumuló unos 0,04 /fb; ahora mismo el LHC está acumulando el doble de colisiones cada día. Ya se han alcanzado los 2,5 /fb y se estima que a finales de octubre se llegarán a los 5 /fb, si no surge ningún problema inesperado. En la última gran conferencia sobre física de partículas, la EPS HEP 11 de finales de julio, se presentaron resultados obtenidos tras analizar un 1/fb de datos; para la próxima conferencia importante, Lepton Photon 2011 (Mumbai, India), que se iniciará mañana lunes, 22 de agosto, se presentarán los resultados obtenidos con 2 /fb de datos. En muchos análisis, como la búsqueda del bosón de Higgs, la diferencia es enorme. Por ejemplo, uno de los resultados más esperados, la combinación ATLAS+CMS, cada experimento con 1 /fb de datos, que ha requerido casi un mes de trabajo, será muy similar al resultado obtenido por cada experimento por separado, cada uno con 2 /fb de datos.

La era del LHC es muy diferente a la del Tevatrón. En el Tevatrón del Fermilab se combinan los resultados de sus dos experimentos (DZero y CDF) cada 6 meses, más o menos; la combinación requiere más o menos un mes de análisis y gracias a ella se obtiene un resultado similar a analizar el doble de colisiones. Sin embargo, en el LHC del CERN combinar los resultados de ambos experimentos tiene poco sentido práctico (ahora mismo); se acumuló 1 /fb a finales de junio y se necesitó un mes para analizar dichas colisiones en cada experimento por separado, ATLAS y CMS, cuyo resultado se publicó a finales de julio; pero mientras se analizaban dichas colisiones se acumularon nuevas colisiones que casi duplicaron en número a las anteriores. La combinación ATLAS+CMS ha necesitado otro mes de trabajo, pero se ha realizado en paralelo con el análisis de las nuevas colisiones. Como resultado a finales de agosto tenemos un resultado combinado ATLAS+CMS equivalente a 2 /fb y un resultado por separado de cada experimento también con 2 /fb de colisiones.

El tempo de la era del LHC, vivace, hace parecer lento al Tevatrón. A partir de 2015 se espera acumular unos 100 /fb al año en el LHC del CERN con colisiones a 14 TeV c.m.; el Tevatrón ya sólo será un recuerdo, un recuerdo de una época en la que la física de partículas tenía un aire larghissimo, comparado con el prestissimo que alcanzará el LHC. Las noticias en los medios y los blogs como éste tendrán que adaptarse a una nueva época en la física de partículas elementales. Por supuesto, todo volverá a un moderato, quizás un moderato espressivo o un allegreto grazioso.

¿Qué podemos esperar de la conferencia en Mumbai entre el 22 y el 27 de agosto? Según ”ATLAS Presents New Results at Lepton Photon 2011,” ATLAS Experiment Blog, August 17, 2011, la Colaboración ATLAS presentará resultados con 2 /fb (unos 140 billones de colisiones protón-protón) para las búsquedas del bosón de Higgs, la supersimetría y un gran número de otras búsquedas de física más allá del modelo estándar. Varios físicos de ATLAS bloguearán y tweetearán (valgan los neologismos), casi en directo, los resultados que se presentarán. La conferencia Lepton Photon 11 (The XXV International Symposium on Lepton Photon Interactions at High Energy) será muy excitante, sin lugar a dudas y en este blog trataré de mantenerte informado al respecto.

Atención, pregunta: ¿Debe un estudiante de doctorado impartir clases mientras desarrolla su tesis?

En España, un estudiante de doctorado que recibe una beca por 4 años, puede impartir clase durante los últimos 2 años. Siempre surge la pregunta, qué es mejor para el estudiante, dedicarse solo a su tesis doctoral (investigación) o compaginarla con la docencia. Muchos eligen la segunda opción porque para llegar a ser Profesor Contratado Doctor se requiere un mínimo de docencia. Un estudio publicado en Science sobre los proyectos de investigación solicitados en EE.UU. por estudiantes de doctorado indica que los doctorandos que comparten investigación y docencia realizan propuestas de mayor calidad que los que solo se dedican a la investigación. Feldon et al. han estudiado doctorandos STEM (Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas) y han encontrado que la metodología en investigación de los doctorandos que imparten docencia es mucho mejor, por ejemplo a la hora de generar hipótesis comprobables y diseñar experimentos válidos. Más aún, los estudiantes mejoran sus propuestas después de impartir un solo curso (según las estadísticas de Feldon et al. la mejoría es independiente de que sea su segunda propuesta). En opinión de Feldon et al. todos los doctorandos deberían impartir clase durante el desarrollo de su tesis doctoral para mejorar su investigación, sin importar si acabarán o no como profesor. El artículo técnico es David F. Feldon1 et al., “Graduate Students’ Teaching Experiences Improve Their Methodological Research Skills,” Science 333: 1037-1039, 19 August 2011.

¿Qué opinas al respecto? La cultura académica de las universidades estadounidenses es muy diferente a la cultura de otros países, ¿crees que las conclusiones de Feldon et al. son extrapolables a tu país (pongamos que hablo de España)? ¿Explica mejor su investigación propia alguien que explica a sus alumnos cierta asignatura que puede que no tenga nada que ver con dicha investigación?

Dmitri V. Skobeltsyn, el hombre que descubrió la antimateria y se lo contó a Dirac en 1927

Cuando uno piensa en la antimateria piensa en la ecuación de Dirac y en el positrón descubierto por Anderson. Pocos recuerdan a Dmitri V. Skobeltsyn (1892-1990), quien entre 1923 y 1926 observó en una cámara de niebla rayos cósmicos con la masa del electrón pero con carga opuesta, resultado que publicó en 1927. ¿Conocía Dirac en 1927 el descubrimiento de Skobeltsyn? El historiador de la ciencia Norwood Russell Hanson afirmó en un artículo de 1961 que Dirac le dijo en 1955 que una vez asistió a una charla en el Instituto Cavendish, entre 1926 y 1927, en la que Skobeltzyn describió su descubrimiento de los “electrones que se movían hacia atrás.” Dirac afirmó que esta charla no le influyó en su teoría del electrón, de hecho, dice que la recordó tras el descubrimiento del positrón realizado por Anderson en 1932; Dirac afirmó en 1955 que en 1932 pensaba que el descubrimiento del ”electrón positivo” (positrón) era una descubrimiento soviétivo. Sin embargo, Skobeltsyn no utilizó en su artículo (ni Hanson cree que en su charla) la palabra “electrón que se mueve hacia atrás” (backward electron); dicho término fue utilizado por primera vez por el matrimonio Joliot-Curie (que también descubrió el positrón en 1932). ¿Jugó la memoria una mala pasada a Dirac? Hanson afirma que tras hablar con Skobeltsyn él tampoco recordaba haber hablado de “backward electrons” antes de 1932. Skobeltsyn nunca obtuvo el Premio Nobel de Física, que Paul Adrian Maurice Dirac obtuvo en 1933 y Carl David Anderson en 1936. Quizás la memoria de Dirac le jugó una mala pasada, o quizás Skobeltsyn es otro ejemplo de la cruda realidad de la historia de la ciencia. El artículo técnico de Norwood Russell Hanson es ”Discovering the Positron (I),” The British Journal for the Philosophy of Science 12: 194-214, Nov. 1961. El artículo con el descubrimiento es D. Skobelzyn, “Die Intensitätsverteilung in dem Spektrum der γ-Strahlen von Ra C,” Zeitschrift für Physik 43: 354-378, 1927. La imagen que abre esta entrada (parte derecha) es una copia de una figura de dicho artículo (las placas originales no se han conservado).

Hay algo importante que debemos recordar. El descubrimiento del positrón por parte de Anderson el 2 de agosto de 1932 no fue resultado de la teoría del positrón de Dirac (publicada en 1931). Anderson afirmó que no conocía dicho artículo en 1932 y que ni siquiera comprendía el libro de Dirac sobre Mecánica Cuántica de 1930 (“The Principles of Quantum Mechanics”), ni menos aún el artículo original con la teoría del electrón de 1928 (“The Quantum Theory of the Electron”). Según Anderson, él empezó a comprender dichos trabajos gracias a un artículo de Blackett y Occhialini en 1933. Más aún, el descubrimiento de Anderson en 1932 encontró gran número de detractores que se resistían a admitir la existencia de un electrón positivo (entre ellos Bohr y Rutherford). Sin embargo, Anderson siempre replicó que la única explicación posible a su observación era la existencia de un electrón positivo. Tras la confirmación de la observación por otros, en 1933 ya eran muy pocos los que tenían dudas al respecto.

Un descubrimiento tan importante y al mismo tiempo tan “sencillo” como la observación del positrón en los rayos cósmicos tuvo muchos antecedentes. De hecho, Robert Andrews Millikan publicó en 1931 unas fotografías de cámara de niebla que mostraban un electrón y un protón (según Millikan), como en la figura central de arriba. Sin embargo, una de las fotografías era difícil de interpretar (aparece a la derecha en la figura de arriba). Millikan pensaba que era un protón con una energía de 450 meV (milielectrónvoltio) y un electrón de 27 meV, sin embargo, la ionización de la traza de la partícula indica que se trata de un electrón y un positrón. Millikan, en lugar de pensar en un electrón de carga positiva, creyó que la fotografía demostraba que la teoría de la ionización en cámaras de niebla era errónea y proponía corregirla con un término dependiente de la energía (solo aplicable a las trazas de los protones). También observó positrones (la aniquiliación de un electrón y un positrón) en 1929 el físico chino Chung-Yao Chao [wikipedia] siendo estudiante de doctorado en el CalTech bajo la dirección de Millikan; Chao defendió su tesis en 1930, pero no fue capaz de interpretar correctamente su observación.

Pero retornemos a Dmitri Vladimirovich Skobeltsyn [wikipedia; obituario en Physics Today], eminente físico soviético especialista en rayos cósmicos, Premio Stalin (1950) y Héroe Socialista (1969). Skobeltsyn, tras enterarse del descubrimiento del efecto Compton, decidió utilizar el retroceso de electrones por dicho efecto para estudiar los rayos cósmicos en una cámara de niebla de Wilson. Gracias a esta idea descubrió los ”electrones raros” que parecían tener una carga positiva opuesta a la del electrón. Incapaz de entender que había descubierto la antimateria, decidió acudir en 1927 a los laboratorios de Marie Curie en París (donde su hija y su yerno, la pareja Joliot-Curie, también descubrirían el positrón). Ni Skobeltsyn ni los Joliot-Curie fueron capaces de dar el paso que supo dar Anderson, afirmar rotundamente que la única explicación posible para sus fotografías de cámaras de niebla era un electrón positivo (el título del artículo de Carl D. Anderson, “The Positive Electron,” Phys. Rev. 43: 491–494, 1933).

PS: Dos lectores se han sorprendido de que los esposos Joliot-Curie utilizaran en 1932 el término “electrones que se mueven hacia atrás” (Oscar lo asociaba a Stueckleberg en 1941 y alejandro a Wheeler sobre las mismas fechas). Como una imagen vale más que mil palabras, os copio una fotografía comentada que Joliot y Curie enviaron a Bohr el 26 de abril de 1932 y que se preserva en los archivos de la Correspondencia Científica de Bohr para la Historia de la Física Cuántica (Bohr Scientific Correspondence at the Archives for History of Quantum Physics – AHQP).

La figura es de muy baja calidad, pero en la parte de abajo se ve claramente la idea de que los positrones son como “electrones que se mueven hacia atrás” que los esposos Joliot-Curie publicaron en su artículo “Sur la nature du rayonnement pénétrant excite dans les noyaux légers par les particules α,” C. R. Acad. Sci. Paris 194: 1229–1232, 1932. No he podido leer el artículo original, pero por lo que parece al menos la fotografía de la cámara de niebla aparece en dicho artículo, junto con el comentario sobre los “electrones que se mueven hacia atrás.” Esta imagen y más información sobre la contribución de los esposos Joliot-Curie a la física temprana del positrón en Matteo Leone, Nadia Robotti, “Frédéric Joliot, Irène Curie and the early history of the positron (1932–33),” European Journal of Physics 31: 975-987, 2010.

Por supuesto, Oscar y Alejandro tienen razón: Feynman, Stueckleberg, Wheeler y otros apostillaron que los positrones son como “electrones que se mueven hacia atrás” en el tiempo.