El momento dipolar eléctrico del electrón y la búsqueda de la supersimetría

La distribución de carga del electrón es la esfera más perfecta que se ha logrado medir. En 2011 se publicó en Nature que el momento dipolar eléctrico del electrón es |d|<10,5 × 10⁻²⁸ e cm, al 90% C.L. Un nuevo artículo rebaja esta límite en un orden de magnitud, a tan sólo |d| < 8,7 × 10⁻²⁹ e cm, también al 90% C.L. No sé si el nuevo resultado acabará siendo aceptado en Nature, pero es muy interesante ya que muchas extensiones del modelo estándar que incorporan violaciones de la simetría CP (o de la simetría T) predicen un momento dipolar eléctrico del electrón entre 10⁻²⁷ > |d| > 10⁻³⁰ e cm, con lo que el nuevo resultado restringe bastante dichas teorías (entre ellas, la supersimetría a baja energía, en la escala electrodébil que explora el LHC). En cierto sentido el nuevo artículo es un nuevo revés para la búsqueda de la supersimetría en el LHC (aunque en rigor aún queda hueco libre). El nuevo artículo técnico es ACME Collaboration, «Order of Magnitude Smaller Limit on the Electric Dipole Moment of the Electron,» arXiv:1310.7534 [physics.atom-ph], 07 Nov 2013. El artículo técnico con la estimación anterior es J. J. Hudson et al., “Improved measurement of the shape of the electron,” Nature 473: 493–496, 26 May 2011. Más información en Clara Moskowitz, «Electron appears spherical, squashing hopes for new physics theories,» Nature News, 13 Nov 2013 [SciAm 11 Nov 2013].

La búsqueda de las axiones como candidatos a materia oscura

Sabemos que la materia oscura existe, pero no sabemos lo que es. La búsqueda de partículas WIMP no ha tenido éxito en las últimas décadas. Un candidato alternativo son los axiones, unas partículas superligeras predichas por la cromodinámica cuántica. Los axiones son una predicción teórica del modelo estándar y permiten explicar la materia oscura fría sin necesidad de física más allá del modelo estándar. El año pasado se inició el experimento de búsqueda de los axiones llamado ADMX (Axion Dark Matter Experiment) en el Centro de Física Nuclear Experimental y Astrofísica de la Universidad de Washington. La colaboración ADMX nació en 1996 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, pero en 2010 se mudó de Livermore a Washington, junto con su director Leslie Rosenberg (el experimento es un cilindro de 4 metros de longitud fácilmente transportable por carretera). Se espera que en los próximos años el experimento ADMX descubra o descarte de forma definitiva la existencia de los axiones. Nos lo cuenta Adrian Cho, «Dark Matter’s Dark Horse,» Science 342: 552-555, 1 Nov 2013.

Los físicos de partículas también son cazatesoros de antiguos naufragios

Mucha gente no lo sabe, pero los físicos de partículas dedicados a la búsqueda de la materia oscura buscan con tesón en los restos de antiguos naufragios unos tesoros de gran valor; bueno, de gran valor para ellos, pues el resto de los cazatesoros no los valoran en demasía, pues buscan el plomo utilizado como lastre en los barcos hundidos hace más de 2.000 años. Los físicos de CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) en la mina de Soudan, Minnesota, y CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) en L’Aquila, Italia, se encuentran con un problema, a los arqueólogos submarinos no les gusta que haya que fundir lingotes de plomo de hace 2.000 años, aunque sea para construir blindajes contra la radiación (el plomo actual es radiactivo porque tiene pequeñas cantidades de plomo-210, isótopo radiactivo que tiene una vida media de 22,3 años). ¿Moralmente es correcto fundir objetos de plomo que forman parte del pasado de la humanidad? Por el momento no hay mucho debate, pero quizás pronto lo haya. Nos lo cuenta «Particle Physicists Seek a Roman Shield,» News of the Week, Science Science 342: 540-541, 01 Nov 2013, que se hace eco de Elena Pérez-Alvaro (Univ. Birmingham, GB), «Experiments on Particle Physics Using Underwater Cultural Heritage: The Dilemma,» Rosetta 13: 40-46, 2013 [PDF].

PS: Estos detectores se instalan en laboratorios subterráneas bajo montañas para protegerlos de la radiación exterior. En los experimentos como tales se utilizan blindajes de plomo contra la radiación. El problema son las radioimpurezas del blindaje y los materiales que componen los detectores (sobre todo la radioactividad beta, que produce neutrinos indeseados). Se puede utilizar un modelo optimizado de la radiactividad de fondo, pero en los experimentos criogénicos todavía no se conocen buenos modelos, por lo que conviene utilizar materiales con pocas radioimpurezas.

Lo último sobre la anomalía a 5 sigmas en los datos de CDF del Tevatrón (Fermilab)

En el año 2011 el experimento CDF del Tevatrón (Fermilab) observó una anomalía a 5 sigmas en los sucesos que producían un bosón W y dos chorros hadrónicos. El experimento DZero del Tevatrón refutó dicha señal. Tampoco se observó en el LHC (ATLAS y CMS). Un análisis preliminar en febrero 2013 descubrió que la causa era un error sistemático. El análisis oficial se acaba de publicar en ArXiv. Tras analizar 9,1 /fb de colisiones protón-antiprotón a 1,96 TeV c.m. no se observa ninguna anomalía en los canales WW, WZ y ZZ. La figura que abre esta entrada muestra cómo ha desaparecido la anomalía (mostrada en la figura de abajo). El artículo técnico es CDF Collaboration, «Search for a dijet resonance in events with jets and missing transverse energy in pp¯ collisions at √s=1.96 TeV,» arXiv:1310.7267 [hep-ex], 27 Oct 2013. Más información divulgativa en Tommaso Dorigo, «No Jet-Jet Bump In New CDF Diboson Analysis !,» AQDS, 29 Oct 2013.

El experimento LUX no encuentra partículas WIMP de materia oscura de menos de 33 GeV

La noticia del día es la rueda de prensa con los nuevos resultados del experimento Large Underground Xenon (LUX) de búsqueda de materia oscura en el Laboratorio Subterráneo de Sanford, Lead, Dakota del Sur. No se han encontrado partículas WIMP de masa menor de 33 GeV/c² durante los 85,3 días de estudio de 118 kg de xenón entre abril y agosto de 2013. Se descarta al 90% C.L. la interacción elástica de estas partículas WIMP con nucleones, interacción independiente del espín, con una sección eficaz superior a 7,6 × 10⁻⁴⁶ cm². Un resultado espectacular y una mala noticia para quienes pensaban que la materia oscura son partículas WIMP de baja masa. El artículo técnico es D.S. Akeri et al., «First results from the LUX dark matter experiment at the Sanford Underground Research Facility,» Preprint enviado a PRL y ArXiv. Transparencias [slides PDF] utilizadas en la rueda de prensa de Rick Gaitskell (Brown) y Dan McKinsey (Yale). Más info divulgativa en Eugenie Samuel Reich, «No sign of dark matter in underground experiment. LUX, the most sensitive dark matter detector yet, fails to capture mysterious particles,» News Nature, 30 Oct 2013; Adrian Cho, «New Experiment Torpedoes Lightweight Dark Matter Particles,» Science NOW, 30 Oct 2013; y «First results from LUX experiment in South Dakota. World’s most sensitive dark matter detector operating at the Sanford Underground Research Faciility,» Sanford Lab News, Oct 30, 2013.

Leonard Susskind nos cuenta qué son el campo y el bosón de Higgs

Como muchos ya sabéis, Lenny Susskind imparte cursos de adultos (como ya hacía Richard Feynman) en los que cuenta conceptos muy complicados de física a un público general (alumnos y exalumnos de la Univ. Stanford). Este vídeo titulado «Demystifying the Higgs Boson» es un buen ejemplo. Lenny nos explica qué es un campo, qué es al vacío de un campo, qué es la masa, cómo le da masa el campo de Higgs a los fermiones y cómo le da masa a los bosones vectoriales. Sin fórmulas matemáticas, pero con las ideas correctas. Algunas de las metáforas que usa ya las he añadido a mi bolso de metáforas sobre el Higgs. Muy recomendable esta charla.

Nueva medida del desdoblamiento hiperfino del positronio conforme con el modelo estándar

Hay muchas pequeñas discrepancias entre el modelo estándar de la física de partículas y las medidas experimentales. La mayoría deben ser debidas a errores sistemáticos en dichas medidas. El desdoblamiento hiperfino del positronio discrepa a 3,9 sigmas de las predicciones del modelo estándar. Una nueva medida obtenida por un dispositivo experimental diseñado para reducir los errores sistemáticos al máximo posible obtiene un valor a sólo 1,2 sigmas de la predicción teórica y a 2,7 sigmas de medidas anteriores. El nuevo resultado confirma que el modelo estándar sigue siendo una teoría muy robusta que resiste todos los avatares de los experimentos. La nueva física puede ocultarse en cualquier resquicio, por ello este tipo de resultados son muy importantes. El artículo técnico es A. Ishida et al., «New Precision Measurement of Hyperfine Splitting of Positronium,» arXiv:1310.6923 [hep-ex], 25 Oct 2013.

Francis en @TrendingCiencia: La velocidad de los neutrinos y el experimento MINOS

Mi nuevo podcast sobre física para Trending Ciencia ya está disponible, sigue este enlace para escucharlo. El tema es la medida la velocidad de los neutrinos y en concreto de las medidas obtenidas por el experimento MINOS en 2007 y 2012. Muchos recordarán la medida obtenida por OPERA en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso en septiembre de 2011 que afirmó que los neutrinos muónicos eran superlumínicos. Al final se descubrió la existencia de un error sistemático, cuya corrección permitía salvar todos los datos ya recabados, pero además se logró financiación para realizar nuevos experimentos en Gran Sasso. MINOS (en EEUU) y T2K (Tokai to Kamioka, en Japón) también consiguieron financiación para hacer lo propio. Un resultado overhype (sobrevalorado) permite recabar financiación para investigar en temas muy interesantes.

En mi blog recomiendo leer «No hay mal (para OPERA) que por bien no venga (para MINOS),» 25 Abr 2012, «Con los GPS en el frigorífico para medir la velocidad de los neutrinos en MINOS,» 14 Jun 2012, » y «MINOS mide la velocidad de los neutrinos muónicos,» 12 Abr 2013. También recomiendo «La medida correcta de la velocidad de los neutrinos de OPERA en 2011 y los nuevos resultados de 2012,» 8 Jun 2012.

Los interesados en artículos técnicos disfrutarán con P. Adamson, «Neutrino Velocity: Results and prospects of experiments at beamlines other than CNGS,» Nuclear Physics B, Proceedings Supplements 235–236: 296–300, Feb–Mar 2013 [free pdf], y P. Adamson et al., «Measurement of the Velocity of the Neutrino with MINOS,» FERMILAB-CONF-12-666-AD, 15 Mar 2012. Además de Floyd W. Stecker, «Constraining Superluminal Electron and Neutrino Velocities using the 2010 Crab Nebula Flare and the IceCube PeV Neutrino Events,» arXiv:1306.6095 [hep-ph], 25 Jun 2013.

Para los interesados en otros artículos citados en el podcast: J. Alspector et al., «Experimental Comparison of Neutrino and Muon Velocities,» Phys. Rev. Lett. 36: 837–840, 1976; MINOS Collaboration, «A Search for Lorentz Invariance and CPT Violation with the MINOS Far Detector,» Phys. Rev. Lett. 105: 151601, 2010, arXiv:1007.2791 [hep-ex]; MINOS Collaboration, «Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam,» Phys.Rev. D 76: 072005, 2007, arXiv:0706.0437 [hep-ex].

Oppenheimer, Dirac y la protohistoria del antiprotón

Bevatrón, inaugurado en 1955, aceleraba protones a 6,5 GeV.

Robert Oppenheimer propuso en 1930 que el antielectrón predicho por la ecuación de Dirac en 1928 no era el protón, como sugirió el propio Paul Dirac en 1930, por su diferencia de masa y porque el átomo de hidrógeno sería inestable. Más aún, propuso que debía existir un antiprotón asociado al protón. Tras el descubrimiento del positrón (antielectrón), Dirac recibió el Premio Nobel en 1933 y en su Discurso Nobel acabó diciendo que debía existir un antiprotón asociado al protón. El antiprotón fue descubierto en los experimentos en 1955 por Emilio Segrè y Owen Chamberlain (ambos de la Universidad de California, Berkeley), que recibieron por ello el Premio Nobel en 1959. Permíteme recordar la protohistoria del antiprotón.

La ecuación relativista para el electrón propuesta por Paul Dirac en 1928 predecía la existencia de estados de energía negativa [1]. Cada estado del electrón de energía positiva +E estaría acompañado de un estado de energía negativa −E. Como un electrón en movimiento acelerado emite radiación y pierde energía, todo electrón con energía positiva acabaría alcanzando una energía negativa y el proceso continuaría ad infinitum. Este hecho no se observa en los experimentos.

Para resolver este problema, Dirac recurrió en 1929 al principio de exclusión de Pauli e introdujo el llamado «mar de Dirac» [2]. En el estado de «vacío» de su ecuación, todos los estados de energía negativa están ocupados, por lo que no se observan electrones de energía negativa en los experimentos. Pero pueden existir «huecos» en este «mar» de estados de energía negativa, que se observan como una partícula de energía positiva pero con carga positiva. La única partícula conocida entonces con carga positiva era el protón, por lo que Dirac tituló su artículo, que apareció en la revista el 1 de enero de 1930, como «Una teoría de electrones y protones» [2], aunque reconocía que no tenía una explicación física del porqué la masa de los protones y los electrones es diferente.

Descubrimiento del antiprotón.

Robert J. Oppenheimer, tras leer el artículo de Dirac, escribió una crítica titulada «Sobre la teoría de electrones y protones» que apareció en Physical Review dos meses más tarde [3]. Por un lado, si todos los estados de energía negativa estaban ocupados, no le parecía razonable que existieran en el universo tantos protones como electrones. Además, la partícula de carga positiva predicha por Dirac se podría aniquilar con un electrón produciendo dos fotones, con lo que el átomo de hidrógeno sería inestable. Por todo ello Oppenheimer predijo que si el electrón tenía estados de energía negativa ocupados, entonces el protón también tendría que tenerlos. Aunque no utiliza de forma explícita la palabra «antiprotón» (dado que hasta entonces nadie había utilizado la palabra «antielectrón»), el párrafo final del artículo de Oppenheimer sugiere la existencia del antiprotón y en la mayoría de los libros de historia de la física de partículas aparece como el «padre» del antiprotón.

En la wikipedia pone que Dirac predijo (o intuyó) el antiprotón en su Discurso Nobel en 1933 [4]. Su párrafo final predice la existencia de la antimateria: «Si aceptamos la simetría completa entre los estados de carga eléctrica positiva y negativa como una de las leyes fundamentales de la Naturaleza, podría ocurrir que fuera un accidente que en la Tierra (y en el Sistema Solar) predominen los electrones y los protones. Puede que haya estrellas hechas de positrones y «protones negativos». Puede incluso que la mitad de las estrellas sean así.» Los protones negativos de Dirac es lo que hoy en día llamamos antiprotones. Dirac sugiere que puede existir la antimateria, antiátomos formados por antiprotones y positrones.

Emilio Segré, Owen Chamberlain y tres colegas.

El descubrimiento del antiprotón fue publicado el 1 de noviembre de de 1955 en Physical Review Letters [5]. Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand y Thomas Ypsilantis, miembros del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, observaron una nueva partícula subatómica, idéntica al protón, pero con carga eléctrica negativa en lugar de positiva. Utilizaron el recién inaugurado Bevatrón, entonces el acelerador de partículas más potente del mundo, capaz de acelerar protones hasta energías de unos 6,5 GeV. La observación de un antiprotón requería crear un par protón-antiprotón, es decir, una energía superior al doble de su masa, unos 2 GeV. En el Bevatrón se decidió hacer incidir un haz de protones de 6,5 GeV en un blanco de neutrones estacionario.

En 1954, Ernest O. Lawrence, inventor del ciclotrón en 1931, Premio Nobel de 1939, decidió construir el Bevatrón en su Laboratorio de la Universidad de California en Berkeley para buscar el antiprotón. Este laboratorio, tras su muerte en 1958, fue rebautizado Laboratorio Lawrence Berkeley. Dos equipos decidieron buscar el antiprotón de forma independiente. Un equipo dirigido por Edward Lofgren y el otro por Owen Chamberlain y Emilio Segrè. Este último descubrió el antiprotón en 1955 y sus líderes obtuvieron el Premio Nobel en 1959. Pero relatar los detalles será objeto de una futura entrada.

Coda final. Un día como hoy en 1984, 20 de octubre, falleció P.A.M. Dirac. Por ello esta entrada participa en la XLV edición del Carnaval de la Física, alojado en esta ocasión por Cuantos y cuerdas.

Referencias

[1] P. A. M. Dirac, «The Quantum Theory of the Electron,» Proc. R. Soc. Lond. A 117: 610-624, 01 Feb 1928 [pdf gratis]; P. A. M. Dirac, «The Quantum Theory of the Electron. Part II,» Proc. R. Soc. Lond. A 118: 351-361, 01 Mar 1928 [pdf gratis].

[2] P. A. M. Dirac, «A Theory of Electrons and Protons,» Proc. R. Soc. Lond. A 126: 360-365, 01 Jan 1930 [pdf gratis].

[3] J. R. Oppenheimer, «On the Theory of Electrons and Protons,» Physical Review 35: 562-563, 01 Mar 1930 [pdf gratis].

[4] P. A. M. Dirac, «Theory of electrons and positrons,» Nobel Lecture, 12 Dec 1933 [pdf gratis].

[5] Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand, and Thomas Ypsilantis, «Observation of Antiprotons,» Phys. Rev. 100: 947–950, 01 Nov 1955 [pdf gratis].

La línea de rayos gamma a 130 GeV de Fermi-LAT apunta a fluctuación estadística

Muchos físicos creen que la famosa línea de rayos gamma observada a 133 GeV por el telescopio espacial Fermi LAT en el centro de la Vía Láctea es una señal de la aniquilación de partículas de materia oscura tipo WIMP. La búsqueda de líneas similares en cinco regiones de la Vía Láctea alejadas del centro ha sido infructuosa. Un análisis de los datos de los últimos 4,4 años basado en métodos de Montecarlo indica una significación local de 2,9 σ y significación global de 1,0 σ. Por tanto, todo indica que se trata de una simple fluctuación estadística. Nos ofrece todos los detalles técnicos del análisis Michael Gustafsson (for the Fermi-LAT collaboration), «Fermi-LAT and the Gamma-Ray Line Search,» arXiv:1310.2953 [astro-ph.HE], 10 Oct 2013.