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.