BBC News vuelve a meter la pata en un titular y afirma que el LHC ha descubierto por primera vez una nueva partícula

BBC News hace un lustro era toda una referencia a seguir en cuanto a noticias científicas. Hoy priman los titulares sensacionalistas y la “ingeniería” de la noticia. Hoy habrás leído que el LHC ha descubierto, por primera vez, una nueva partícula. Gran noticia, pero la “nueva” partícula ni es nueva (se descubrió en 1977), ni es una partícula elemental (es un mesón compuesto de dos quarks bottom). ¿Dónde está la novedad? Como el LHC es el acelerador de partículas más energético del mundo ha sido capaz de producir el estado de excitación de esta partícula, lo que los físicos llaman una resonancia, de mayor energía conocido hasta el momento. ¿Una sorpresa? Todo lo contrario, un resultado esperado y por ello un resultado menor que confirma la validez del modelo estándar. La noticia en liza es “LHC reports discovery of its first new particle,” BBC News, 22 Dec. 2011. Una buena explicación en español de la metedura de pata en Jorge Díaz, “Excitación genera descubrimiento de partícula excitada en el LHC y por qué esto no es muy excitante,” Conexión causal, 22 dic. 2011. En inglés recomiendo a Matt Strassler, “A New Particle at the LHC? Yes, But…,” Of Particular Significance, Dec. 22, 2011 (la figura que abre esta entrada es suya).

¿Por qué esta “nueva” partícula es una partícula? En física cuántica se llama “partícula” a lo que se comporta como una “partícula puntual” a cierta escala de energía, la dada por su longitud de Compton; de hecho, no sabemos aún si el electrón o los quarks son partículas compuestas o no lo son; hace 50 años el protón era considerado una partícula elemental aunque desde hace unos 40 años sabemos que no lo es. Un átomo es una partícula, porque aunque está compuesto de electrones y un núcleo (a su vez compuesto), a cierta escala se comporta como si fuera puntual. Más aún, los estados excitados de un átomo también se comportan como partículas diferentes. Los electrones en el átomo se colocan en niveles de energía discretos y en la escala de distancias para la que un átomo es una partícula puntual, los átomos excitados con diferentes niveles de energía se comportan como partículas diferentes. Exactamente lo mismo ocurre con los hadrones (partículas compuestas de quarks), tanto con los bariones (como el protón y el neutrón, formados por tres quarks), como con los mesones (como el pión o la “nueva” partícula, formados por un par quark-antiquark). Los estados excitados de los hadrones se comportan como si fueran partículas diferentes (de hecho, antes de que se descubriera que estaban compuestos de quarks se pensaba que eran partículas diferentes). A estos estados excitados se les suele llamar como “resonancias” (aunque muchos físicos también usan la palabra “partícula”) y la “partícula de verdad” es la resonancia de menor energía. Estas excitaciones llamadas resonancias se clasifican igual que los átomos por dos números cuánticos asociados al momento cinético; en los átomos se llaman (L,M) y en las partículas (I,J), pero conceptualmente son la misma cosa. Por ello, igual que hay átomos excitados en orbitales S y P, también hay partículas excitadas en orbitales S y P.

La “nueva” partícula es un quarkonium (par quark-antiquark), en concreto un bottomonium (formado por un quark bottom y un antibottom). Los estados excitados de esta última los tenéis listados en la wikipedia, aunque no aparece el nuevo estado 3P, podréis ver los estados 1S, 1P, 2S, 1D, 2P, etc. No quiero entrar en más detalles técnicos. El estado de energía más bajo (lo que normalmente se llama el descubrimiento de la partícula) se observó en 1977; desde entonces, con el paso de los años, gracias al incremento de energía de los colisionadores de partículas, se han ido descubriendo nuevos estados (o nuevas “partículas”), siendo el último el publicado hoy mismo en este artículo técnico ATLAS Collaboration, “Observation of a new chi_b state in radiative transitions to Upsilon(1S) and Upsilon(2S) at ATLAS,” ArXiv, submitted on 21 Dec. 2011.

¿Por qué esta noticia es importante? Las predicciones teóricas indican que esta nueva resonancia del bottomonium es la más energética que puede ser observada en el LHC de forma directa; las resonancias más energéticas se cree que no dejarán traza detectable en los experimentos del LHC porque su vida media será demasiado corta. En este sentido, este artículo es muy interesante y nos ofrece información sobre una partícula de referencia en los tests de precisión para el modelo estándar. En la próxima década se hablará bastante de las propiedades en detalle de esta nueva “partícula” que serán estudiadas con gran cuidado para tratar de descubrir en ellas cualquier desviación con respecto a las predicciones del modelo estándar. La partícula Chi_b (3P) dará bastante que hablar en las conferencias técnicas en los próximos años y creo que volverá a aparecer en este blog. Aún así, para el público general, este nuevo descubrimiento es de menor importancia.

Las predicciones científicas para el año 2012 según Physics World

¿Qué nos espera en ciencia para el año que viene? Nos cuenta sus predicciones Matin Durrani, “What lies ahead for 2012?,” Physics World, Dec. 21, 2011. La predicción segura para el año 2012 en física será el descubrimiento del Higgs (o su exclusión definitiva). Otras noticias no están tan claras, pero seguro que habrá sorpresas. La magia de la física es que es impredecible.

El bosón de Higgs será encontrado. En enero 1983, cuando el CERN anunció el descubrimiento de los bosones W y Z no se montó el revuelo que se ha montado con el anuncio de diciembre de nuevos datos sobre el Higgs. Entonces, las dos colaboraciones responsables del descubrimiento habían debatido sus rifirrafes a puerta cerrada y lo que transcendió a los medios fue un resultado consensuado por ambas, sin fisuras. Pero en los tiempos actuales, con la web como vía rápida para la comunicación de resultados científicos, todos los trapos sucios son aireados con desaire y los rumores son la moneda de cambio. El anuncio de ATLAS y CMS de este mes es una señal clara de un Higgs con una masa de unos 125 GeV que será ratificado durante 2012 (en esto Durrani opina lo mismo que yo). Se espera que en la conferencia de invierno (marzo) en Moriond (La Thuile, Italia) se publique el resultado combinado oficial ATLAS+CMS con todos los datos de 2011 y el resultado final del Tevatrón combinando CDF+DZero con todos los datos del Run II; estos resultados podrían confirmar las expectativas levantadas este mes y apuntar de forma definitiva a un Higgs de 125 GeV (o en caso contrario descartarlo de forma definitiva). Una evidencia estadística a 5 sigmas se podría publicar durante el verano próximo.

Poco más sobre la materia oscura y los neutrinos superlumínicos. En opinión de Durrani, el año que viene es pronto para que se resuelva el problema de los neutrinos superlumínicos de OPERA, aunque se publicarán varias noticias al respecto; aún así los neutrinos seguirán siendo noticia y se espera una medida fiable del valor del ángulo θ13 que caracteriza las oscilaciones de los neutrinos. No se espera un descubrimiento, pero habrá múltiples noticias sobre la materia oscura que constituye el 23% del universo.

Las ciencias del espacio seguirán siendo noticia. Varias misiones serán lanzadas al espacio durante 2012, entre ellas, NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) de la NASA, que se lanzará en febrero para observar rayos X de alta energía, RBSP (Radiation Belt Storm Probes) de la NASA, que se lanzará en agosto para estudiar los cinturones de radiación que rodean la Tierra y con ellos la influencia del Sol sobre nuestro planeta, e IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph) también de la NASA, que se lanzará en diciembre para estudiar la corona y el viento solares, y Swarm, una constelación de 3 satélites en órbita polar de la ESA que estudiarán el campo magnético terrestre. Por otro lado, el 6 de agosto se espera que MSL (Mars Science Laboratory) de la NASA deposite en suelo marciano el rover Curiosity que buscará señales de vida. Además, 2012 será el primer año en el que la NASA confiará a compañías privadas el suministro de servicios a la ISS (International Space Station), en concreto la cápsula no tripulada Dragon de la compañía SpaceX.

Aniversarios a celebrar en 2012. Se cumplirá el centenario del descubrimiento de los rayos cósmicos por el científico austríaco Victor Hess (que obtuvo por ello el Premio Nobel de Física 1936). Se cumplirá también el centenario del nacimiento del matemático británico Alan Turing (23 de junio de 1912), pionero de los ordenadores y que todos los informáticos celebraremos con placer.

Otras noticias no científicas. Las elecciones presidenciales a EE.UU. serán el 6 de noviembre y sabremos si  Barak Obama logra su reelección.

Nuevo método de enfriamiento de átomos permitirá alcanzar un picokelvin

Hoy en día es fácil enfriar unos cientos de átomos neutros hasta un nanokelvin, pero el objetivo es alcanzar un picokelvin (una billonésima de kelvin sobre el cero absoluto) parece inalcanzable con las técnicas convencionales. Hoy se publica en Nature una nueva técnica de enfriamiento que en teoría podrá alcanzar este logro. La nueva técnica se basa en atrapar los átomos a enfriar en una red (lattice en inglés) óptica, es decir, un “cristal” de luz creado por la interferencia de ondas de luz estacionarias. Los átomos atrapados en esta red son ideales para estudiar la física del estado sólido con solo unos pocos átomos, en especial, los sistemas de átomos en interacción fuerte. Aún no se ha logrado alcanzar el picokelvin, pero los autores del artículo esperan que esta técnica lo permita en poco tiempo. Nos lo cuenta Gretchen K. Campbell, “Atomic physics: When ultracold is not cold enough,” Nature 480: 463–465, 22 December 2011, haciéndose eco del artículo técnico de Waseem S. Bakr et al., “Orbital excitation blockade and algorithmic cooling in quantum gases,” Nature 480: 500–503, 22 December 2011.

La nueva técnica se basa en el uso del bloqueo de Coulomb (Coulombian blockade en inglés) de átomos. Este fenómeno aparece cuando se confinan muchas partículas de forma muy compacta con interacciones mutuas fuertes. Si la energía de interacción es suficientemente alta, añadir una nueva partícula al sistema es muy difícil y se produce el bloqueo coulumbiano debido a las fuerzas de interacción mutua repulsivas entre los átomos. En la red óptica los átomos ultrafríos desarrollan una estructura en niveles de energía (como los electrones en un átomo). El bloqueo coulombiano impide que nuevos átomos queden atrapados en la red óptica, pero las interacciones provocan que algunos átomos, por efecto túnel cuántico, cambien de sitio de dicha red. Los átomos se enfrían cuando los sitios que tienen mayor número de átomos pierden sus átomos que se colocan en otros sitios menos poblados y sus niveles de energía pasan a ser el nivel fundamental. El proceso de bloqueo se puede controlar mediante una excitación externa, el llamado bloqueo por intercambio orbital (OEB por las siglas en inglés de orbital exchange blockade). Gracias a este control se puede reducir la entropía del sistema y con ella la temperatura del conjunto de átomos.

Bakr y sus colegas han demostrado este nuevo sistema de enfriamiento utilizando una red óptica bidimensional con forma cuadrada obtenida mediante dos ondas de luz estacionarias perpendiculares. La profundidad de los pozos de luz se puede controlar mediante la intensidad de estas ondas estacionarias. En esta red se han atrapado algunos cientos de átomos de rubidio-87. El proceso desarrollado por Bakr y sus colegas es denominado “algoritmo” de enfriamiento, pues consiste en ir ajustando la profundidad de los pozos de potencial de tal manera que los átomos salten por efecto túnel de unos pozos a otros, reduciendo el número de átomos por pozo. En el límite, cuando hay un solo átomo por pozo y este se encuentra en el nivel energético más bajo, el gas se encuentra enfriado a la temperatura más baja posible. En este estado la entropía es mínima.

¿Para qué puede servir enfriar átomos a temperaturas ultrabajas en una red óptica? La aplicación más obvia es la computación cuántica, la creación de registros de bits cuánticos formados por miles de átomos. Los autores del estudio creen que su trabajo es un paso hacia ordenadores cuánticos escalables implementados en redes ópticas de átomos. Lograr enfriar átomos a solo un picokelvin será un gran logro, pero el futuro más prometedor es la implementación de ordenadores cuánticos.

¿Por qué no se ha alcanzado un picokelvin cuando la teoría así lo predice? Bakr y sus colegas no han alcanzado la entropía mínima predicha por la teoría para su método por ciertas ineficiencias en la red óptica que calientan ligeramente algunos átomos que pasan a ocupar estados excitados. Debidos a estos problemas de carácter técnico solo han logrado alcanzar una entropía mínima de 0,27 kB por partícula (donde kB es la constante de Boltzmann); este valor es comparable a los mejores experimentos previos. Para obtener un sistema de enfriamiento óptimo hay que corregir las deficiencias detectadas en la red óptica, algo factible (aunque no es fácil) según los autores. Todo indica que en los próximos años se alcanzará el picokelvin. Habrá que estar al tanto.

Atención, pregunta: ¿España necesita un Ministerio de Ciencia?

Ya lo adelantaba CincoDias.com el pasado 16 de diciembre y ayer lo confirmó nuestro nuevo y flamante Presidente Mariano Rajoy, el Ministerio de Ciencia e Innovación, muy criticado por el corte sesgado a la innovación industrial que impuso la Ministra Garmendia, ha desaparecido. Se convertirá en la Secretaría de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación, dependiente del Ministerio de Economía y Competitividad, cuya cartera ocupa  Luis De Guindos (fuente en BOE; gracias Pampa por el enlace). Esta Secretaría de Estado se encargará de la creación el 1 de enero de 2012 de la Agencia Estatal de Investigación, conforme a la Ley de Ciencia.

Mi pregunta quiere recabar tus comentarios al respecto: ¿Necesita España un Ministerio de Ciencia? ¿Debería la Secretaría de Estado de Investigación colgar del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte? ¿Debería colgar de Industria? ¿Es una buena elección que cuelgue de Economía? ¿Qué opinas?

Querrás saber qué opino yo. Un Ministerio de Ciencia bien llevado por alguien con las ideas claras es clave y fundamental para España en la situación tan crítica que ha dejado la crisis a la ciencia española. Un Ministerio de Ciencia llevado por alguien ávido de aprovechar la situación para favorecer a sus amiguetes, mejor que desaparezca. Una Secretaría de Estado de Investigación con un presupuesto adecuado y bien llevada es clave y fundamental para España. ¿Tendrá un presupuesto adecuado sin que haya un Ministerio de Ciencia? ¿Tendrá un presupuesto adecuado colgando del Ministerio de Economía? En mi opinión no lo tendrá. Pido perdón, pero creo que Luis De Guindos no es la persona más adecuada para ser el responsable último de la financiación de la ciencia en España. Espero equivocarme y pido perdón por mi falta de confianza, pero creo que De Guindos no es el político más adecuado para llevar a sus espaldas la ciencia española. Espero equivocarme por el bien de la ciencia española en los próximos años.

Por cierto, por si te lo preguntas, la Secretaría de Educación, Formación Profesional y Universidades cuelga del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte.

PS (23 dic. 2011): Víctor R. Ruiz, “Ciencia: Un mal ministerio es peor que una buena Secretaría de Estado,”  { cuaderno de bitácora }, 23 dic. 2011.

Kepler observa dos planetas gaseosos que puede que sobrevivieran a ser engullidos por su estrella cuando ésta se transformó en gigante roja

Dentro de unos miles de millones de años, el Sol se expandirá hasta formar una estrella gigante roja. Su atmósfera se extenderá más allá de la órbita de la Tierra, planeta que junto a Mercurio y Venus serán engullidos. La mayoría de los astrónomos pensaba que éste será el final del planeta Tierra, pero el satélite Kepler de la NASA ha descubierto dos planetas que parece que han sobrevivido a un evento de este tipo. De confirmarse el hallazgo con futuros avistamientos y la hipótesis de su origen con modelos numéricos, tendremos que cambiar el futuro que le espera a la Tierra según todos los libros de texto. La vida no sobrevivirá al cataclismo, pero el planeta Tierra, cual ave fénix, renacerá de sus cenizas. Nos lo ha contado Eliza M. R. Kempton, “Planetary science: The ultimate fate of planets,” Nature 480: 460–461, 22 December 2011, haciéndose eco del artículo técnico de S. Charpinet et al., “A compact system of small planets around a former red-giant star,” Nature 480: 496–499, 22 December 2011.

¿Cómo es posible que estos dos planetas sobrevivieran a tal terrible cataclismo? Los investigadores creen que se trataba de planetas gigantes gaseosos cuando la estrella quemaba hidrógeno para producir helio, como nuestro Sol ahora mismo. En aquella época estos planetas estaban más alejados. Cuando la estrella consumió todo el hidrógeno de su núcleo se expandió para convertirse en una estrella gigante roja que engulló las órbitas de los dos planetas. Esta órbitas redujeron su radio en espiral y los planetas perdieron su envoltura gaseosa. Por razones aún desconocidas, la gigante roja expulsó sus capas más externas y más frías de forma temprana y se transformó en una estrella subenana de tipo B (estrella subenana caliente con tipo espectral B). El núcleo rocoso de los planetas gaseosos sobrevivió a este cataclismo y ahora presentan órbitas muy cercanas a la subenana con periodos muy cortos (5,8 y 8,2 horas).

El método utilizado por Charpinet y sus colegas para detectar estos dos nuevos planetas difiere del método habitual que utiliza el Satélite Kepler de la NASA (medir cómo se reduce la luz de la estrella cuando pasa el planeta por delante de su disco). La subenana caliente KIC 05807616 es una estrella variable que varía su brillo a intervalos regulares. Al analizar (mediante transformada de Fourier) las oscilaciones de la luz de esta estrella en detalle los autores observaron dos señales periódicas superpuestas a la variación principal del brillo de la propia estrella. Esas señales periódicas (de amplitud muy pequeña, unas diez mil veces menor que la señal principal) revelaron la presencia de los dos nuevos planetas, que se encuentran muy cerca de su estrella (a 0,0060 y 0,0076 unidades astronómicas; una unidad astronómica es la distancia entre la Tierra y el Sol, y Mercurio se encuentra a unas 0,39 u.a.). Estimar el tamaño de estos planetas es difícil, pero los autores creen que tienen un tamaño similar a la Tierra.

Lo sorprendente del hallazgo es que nadie hubiera apostado a priori que un par de planetas pudieran sobrevivir a un cataclismo estelar de esta magnitud. De hecho, algunos astrónomos dudan que estos planetas sean un remanente del sistema planetario original; para ellos podrían haberse formado a partir del material expulsado por la gigante roja cuando se transformó en subenana caliente. La única manera de estar seguros de que los planetas sobrevivieron al cataclismo es el avistamiento de nuevos ejemplos similares en los próximos años; además, las simulaciones numéricas de la dinámica de sistemas planetarios, en las que nunca se había estudiado esta posibilidad con detalle, aportarán información relevante sobre si estas aves fénix planetarias pueden existir o no.

Un resultado como éste, publicado en Nature, nos hace plantearnos una posibilidad interesante, ¿sobrevivirá la Tierra a la transformación de nuestro Sol en gigante roja? Hace un mes nadie hubiera apostado por ello. Ahora habrá que considerar en serio esta posibilidad. Lo único que se puede decir ahora mismo es que nadie conoce la respuesta, aún.