La física altas energías avanza paso a paso

Esta figura muestra los experimentos más importantes del mundo en física de alta energía o física de partículas elementales. En el eje horizontal se muestra la energía en el centro de masas de las colisiones en estos experimentos. En el eje vertical se muestra la luminosidad o, más o menos, el número de colisiones por segundo que son capaces de producir. La figura agrupa los laboratorios en dos globos, los laboratorios que buscan alcanzar la mayor energía posible en las colisiones (en azul) y los que buscan alcanzar el mayor número posible de colisiones observadas por segundo (en rosado). El punto del LHC del CERN aparece donde estará cuando funcione a máxima energía. También aparece el ILC que es un acelerador lineal aún en fase de diseño (y faltan CLIC y MuC). No recuerdo de dónde saqué esta figura (debe ser una presentación sobre el futuro SuperKEKB). Me gusta esta figura porque muestra que el avance en física de altas energías va paso a paso.

Curso de Leonard Susskind sobre teoría de cuerdas y teoría M

Hace un tiempo nos hicimos eco de los Cursos de Física Teórica de Leonard Susskind en la Universidad de Stanford que están gratis en youtube. El curso pasado Leonard impartió un curso de teoría de cuerdas y teoría M que yo he disfrutado, a ratos, este verano. Todavía no había dicho nada en este blog, pero creo que es el momento de recomendaros a todos dicho curso. Os dejo aquí la primera sesión (el resto las podréis disfrutar en esta playlist recopilada por Lubos Motl). ¡Qué lo disfrutéis!

 

La física del quark top se congregó la semana pasada en la Costa Brava española

La vida del quark top es tan corta (media billonésima de billonésima de segundo) que es el único quark que no forma hadrones (ni mesones ni bariones), pues no le da tiempo de formarlos antes de desintegrarse (el tiempo de hadronización es 10 veces mayor, suficiente para hadronizar todos los quarks excepto el top). Por ello, el top es de enorme importancia para estudiar las propiedades de un quark aislado, ya que el resto de los quarks se observan dentro de mesones o bariones. La cuarta conferencia internacional sobre la física del quark top se ha celebrado en Sant Feliu de Guixols, en la Costa Brava española (TOP 2011). Quería haberme hecho eco del evento durante su desarrollo, pero no ha podido ser. Para los interesados, el mejor punto de partida es la charla de Adrian Signer (Univ. Durham), “Top Quark: Theory Status,” TOP 2011, que repasa el contenido/objetivo de todas las sesiones, y la charla de Roberto Tenchini (INFN Pisa), “Top2011: a summary of the workshop,” TOP 2011, que resume lo más relevante del evento (la figura de abajo es de dicha charla).

El Tevatrón del Fermilab ha cedido el testigo de la física del quark al LHC del CERN, que ya es toda una fábrica de quark tops; basta recordar que en un solo día, el 14 de septiembre, en el fill #2105, que duró 16,5 horas y se grabaron en disco 113,4 /pb de datos (2,6 veces más datos que en todo el año 2010), se produjeron unos 18 000 pares top-antitop (fuente del dato). La gran diferencia entre el LHC y el Tevatrón es el problema del pileup (el apilado de colisiones o vértices primarios); en el LHC ya se han registrado colisiones con 20 vértices primarios, lo que complica mucho el análisis de precisión de estas colisiones (que más parecen un plasma de quarks y gluones que otra cosa). El otro gran problema de la física del top en el LHC son las predicciones teóricas, cuya incertidumbre (para la aproximación NLO es del orden del 5%) es mayor que error experimental que se está logrando (y que está bajando conforme se acumulan colisiones); los físicos teóricos calculistas (fenomenólogos) tienen mucho trabajo por delante, porque el futuro de la física de partículas es la física de precisión. Por ejemplo, el modelo estándar predice que 0,9990 < |Vtb| < 0,9992 al 90% CL, pero los resultados experimentales (ver la figura de arriba) tienen todavía un error del orden del 10%. Determinar si hay desviaciones con respecto al modelo estándar significará que hay algo más. Pero por ahora todo indica que la física del quark top es la predicha por el modelo estándar, salvo por la famosa asimetría adelante-atrás (forward-backward asymmetry) en la producción de quarks y antiquarks top en las colisiones protón-antiprotón del Tevatrón (cuando la energía del par top-antitop es mayor de 450 GeV, resulta que el top prefiere emitirse en la dirección del haz de protones incidente y el antitop prefiere emitirse en la dirección del haz de antiprotones, pero mucho más de lo que el modelo estándar predice; ver la figura de abajo). Posibles explicaciones teóricas a esta anomalía son revisadas por J. A. Aguilar Saavedra (Univ. Granada), “Overview of models for the tt asymmetry,” TOP 2011, y la posibilidad de observarla en LHC por Thomas Pfeiffer, “Charge asymmetry at LHC,” Top 2011, y por Freya Blekman, “Searches for same-sign top pair production at the LHC,” Top 2011, entre otros.

Cambiando de tema, muy emotiva ha sido la charla de Yvonne Peters (Univ. Manchester, on behalf of CDF & DZero), “Tevatron Legacy,” Top2011. Yvonne nos recuerda que en 1992, el experimento CDF del Tevatrón determinó el primer límite inferior para la masa del top, Mtop > 91 GeV; en 1994, el experimento DZero hizo lo propio, Mtop > 131 GeV; combinados estos datos con los de LEP se obtenía en 1994 un intervalo de masas 155 GeV < Mtop < 185 GeV; a finales de 1994 ya había “evidencias” débiles de la existencia del quark top en CDF. El 24 de febrero de 1995 se enviaron al mismo tiempo a Physical Review Letters (PRL) dos artículos, uno de CDF y otro de DZero proclamando el descubrimiento del quark top. En DZero se habían analizado 50 /pb de datos de colisiones y se habían observado 17 eventos que indicaban que la masa del top era de Mtop = 199 ± 30 GeV, se había descubierto el top con una evidencia de 4,6 σ. En CDF se habían analizado 67 /pb de colisiones y se habían observado 19 eventos que indicaban que Mtop = 176 ± 13 GeV, con una evidencia de 4,8 σ. Combinando ambos experimentos se concluía que se había descubierto el quark top con una evidencia superior a 5 σ. Quizás algún día le den el Premio Nobel de Física a este descubrimiento.

El LHC obtendrá este año unos 5 /fb de colisiones y el próximo, como mínimo, otro tanto, con lo que a finales de 2012 estarán disponibles más de 10 /fb de colisiones a 7 TeV c.m. en cada uno de los grandes experimentos del LHC, es decir, ATLAS y CMS. ¿Qué se puede esperar conocer con dicha información sobre el quark top? Nos lo cuenta Andrea Giammanco, “Top physics prospects with 10/fb at 7 TeV,” Top 2011. El gran problema del LHC en relación a la física del quark top es el gran error sistemático que tiene su estudio debido a la complejidad de las colisiones. Acumular más de 5 /fb no lleva a una mejora de la precisión en las medidas debido a que estos errores no se reducen acumulando más colisiones; la fuerza bruta, como casi siempre, no permite mejorar los límites de precisión. Los físicos tienen que desarrollar nuevas técnicas de análisis que permitan reducir los errores sistemáticos de algunas medidas concretas. De hecho, los especialistas ya están desarrollando métodos no convencionales para lograrlo, que serán puestos en práctica el año próximo.

En resumen, una gran conferencia que ha tenido lugar en España, demostrando que nuestro país es toda una potencia en física teórica y de altas energías.

Premio Nobel de Física 2011: La energía oscura y la expansión acelerada del espaciotiempo

Ya tocaba y por eso, casi he acertado. El Nobel de Física ha recaído en el descubrimiento de la expansión acelerada del universo. La mitad del premio ha sido para Saul Perlmutter (Supernova Cosmology Project, LBNL y Universidad de California en Berkeley), nacido en 1959, y la otra mitad a partes iguales para Brian P. Schmidt (High-z Supernova Search Team, Universidad Nacional de Australia), nacido en 1967, y Adam G. Riess (High-z Supernova Search Team, Universidad de Johns Hopkins), nacido en 1969. Los tres laureados son norteamericanos. Mi última predicción de hace dos días era “Mi última apuesta es para Adam G. Riess (Universidad Johns Hopkins, Maryland) y Saul Perlmutter (Universidad de California) por el descubrimiento de que la expansión del universo se está acelerando (Thomson Reuters los nominó en 2010). Pero ahora que lo pienso, quizás sean candidatos más firmes el año que viene, 2011, tras la publicación de los primeros datos del satélite Planck en marzo del año próximo.” Me he equivocado en esto último, les han dado el Nobel este año, sin esperar a la publicación de los primeros resultados del satélite Planck sobre el fondo cósmico de microondas y la energía oscura. “Written in the stars,” Information for the public. “Scientific Background,” Information for scientists.

Nadie sabe lo que es la energía oscura. Pero en 1998 se descubrió que algo está acelerando la expansión cósmica y a ese algo se le ha bautizado como energía oscura. Los dos grupos que han obtenido el Nobel utilizando supernovas de tipo Ia como candelas para medir grandes distancias en el universo. Sumando los resultados de ambos equipos se estudiaron unas 50 supernovas cuya luminosidad era más débil de la esperada según los modelos teóricos, por alguna razón parecía que estaban más lejos de lo esperado. La explicación más razonable era que la expansión del universo se estaba acelerando. Desde 1998 gran número de estudios cosmológicos han verificado la hipótesis de la energía oscura, que parece una hipótesis robusta, aunque nadie sepa realmente qué es.

Más en este blog sobre este apasionante tema: “El enigma de la energía oscura,” 4 enero 2011; “Las supernovas Ia son candelas estándar para medir distancias mucho más robustas de lo que se pensaba,” 30 junio 2010; “El problema de la energía oscura y el origen de las supernovas de tipo Ia,” 18 febrero 2010; “Energía oscura para torpes (o dark energy for dummies),” 23 septiembre 2009; “Espectaculares simulaciones de la explosión de una supernova tipo Ia,” 19 agosto 2008.

En este blog también nos hemos eco de opiniones en contra de la existencia de la energía oscura: “Nuevos datos de supernovas Ia indican que la energía oscura podría variar con el tiempo,” 13 abril 2009; “La gravedad cuántica como solución para la materia oscura y la energía oscura,” 24 junio 2009; “Nueva solución de las ecuaciones de Einstein explica la aceleración del universo sin necesidad de energía oscura,” 18 agosto 2009; “La energía oscura como resultado de las ondas gravitatorias de la inflación primordial,” 11 septiembre 2009; “El secreto de la energía oscura podría estar en el Modelo Estándar escondido tras el “fantasma de Veneziano”,” 17 septiembre 2009; “Se publica un artículo que contradice la evidencia de materia y energía oscuras en los datos de WMAP-5,” 18 junio 2010.