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.

¿Existe algo totalmente impredecible en la Naturaleza?

Antonio Acín (ICFO/ICREA, Barcelona, ​​España) y varios colegas responden a esta pregunta en un artículo en Nature Communications que presenta un protocolo cuántico para amplificar la aleatoriedad de los eventos naturales que sean aleatorios para hacerlos completamente aleatorios. El artículo no demuestra que estos eventos existan en la Naturaleza, pero introduce la siguiente dicotomía: o bien nuestro universo es completamente determinista, o bien existen eventos naturales que son totalmente aleatorios. Todo el mundo sabe que la física clásica es totalmente determinista (aunque el caos determinista limita su predictibilidad) y que la física cuántica permite lo aleatorio, aunque ello no implica la existencia de cualquier forma de aleatoriedad en la Naturaleza. El problema de distinguir entre (pseudo)aleatoriedad y aleatoriedad completa puede parecer de interés sólo para los filósofos, pero también es importante desde un punto de vista práctico, pues los bits aleatorios son útiles en muchas aplicaciones (protocolos criptográficos, juegos de azar o simulación numérica de sistemas físicos y biológicos). El artículo técnico es Rodrigo Gallego et al., «Full randomness from arbitrarily deterministic events,» Nature Communications 4: 2654, 30 Oct 2013 (arXiv:1210.6514 [quant-ph]).

Soluciones exactas de las ecuaciones de Maxwell en forma de nudos de luz

En 1989 Antonio Fernández Rañada (Univ. Complutense, Madrid) introdujo una solución tridimensional de las ecuaciones de Maxwell con la topología de un nudo, a la que llamó hopfión (porque se inspiró en el fibrado de Hopf), que en 2008 se demostró de forma experimental. Hridesh Kedia (Universidad de Chicago, Illinois, EEUU) y sus colegas, entre ellos el español Daniel Peralta-Salas (contratado Ramón y Cajal en el Instituto de Ciencias Matemáticas, CSIC, Madrid), han encontrado una familia de soluciones exactas de las ecuaciones de Maxwell en forma de nudos tipo trébol (tres lazos), con cinco lazos e incluso más. Estas soluciones para un campo electromagnético clásico son de tipo campo nulo, porque los dos invariantes de las ecuaciones de Maxwell tienen valor nulo (en concreto, en todo punto el campo eléctrico es ortogonal (perpendicular) al magnético y ambos campos tienen idéntico módulo). La nueva familia de soluciones tipo nudo es estable y permite formar cadenas de nudos enlazados unos con otros. Todavía no se han verificado de forma experimental en laboratorio, pero nada parece impedir que sea posible (utilizando alguna variante de la técnica utilizada en 2008 para producir el hopfión). El artículo técnico es Hridesh Kedia, Iwo Bialynicki-Birula, Daniel Peralta-Salas, William T. M. Irvine, «Tying Knots in Light Fields,» Phys. Rev. Lett. 111: 150404, 10 Oct 2013. El artículo que introdujo el hopfión es Antonio Fernández Rañada, «A topological theory of the electromagnetic field,» Letters in Mathematical Physics 18: 97-106, Aug. 1989, y el que lo observó en laboratorio es William T. M. Irvine, Dirk Bouwmeester, «Linked and knotted beams of light,» Nature Physics 4: 716-720, Aug. 2008.

Qué pasa con el experimento del gato de Schrödinger dentro de un agujero negro

Según la teoría de la gravedad de Einstein en el interior de un agujero negro sólo hay espaciotiempo curvado y una singularidad puntual (un punto con curvatura infinito). Nada más y nada menos. Imagina que una caja con el experimento cuántico del gato de Schrödinger cae dentro de un agujero negro acompañada de un observador. ¿Puede colapsar el estado del gato a vivo o a muerto por el efecto no local de una medida realizada por otro observador fuera del horizonte de sucesos? Sí, según el análisis de este experimento mental publicado en Physical Review Letters por Joseph Polchinski y Donald Marolf, ambos de la Universidad de Santa Barbara, California. Como esto parece imposible, concluyen que esta inconsistencia es una prueba de que el horizonte de sucesos del agujero tiene algún tipo de estructura, un «firewall» que impide que un observador pueda entrar dentro del agujero negro. Por cierto, el término «firewall» es traducido por «cortafuegos» pero para Polchinski y sus colegas significa «wall of fire», es decir, «muro de fuego», porque se supone que está acompañado de radiación de muy alta energía que es la que destruye al incauto observador que desea entrar en el agujero negro. Nos lo cuenta Andreas Karch, «What’s Inside a Black Hole’s Horizon?,» Physics 6: 115, 21 Oct 2013. El artículo técnico es Donald Marolf, Joseph Polchinski, «Gauge-Gravity Duality and the Black Hole Interior,» Phys. Rev. Lett. 111: 171301, 21 Oct 2013, arXiv:1307.4706 [hep-th].

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].

Francis en @TrendingCiencia: Philip Anderson, el Higgs y la «higgsogénesis»

Algunos lectores de este blog se han preguntado quién es Philip Anderson y qué tiene que ver con el bosón de Higgs. Te lo cuento en mi nuevo podcast para Trending Ciencia, que también discute la «higgsogénesis» como explicación de la asimetría materia-antimateria.

Confirmado, como ya predije, el Premio Nobel de Física de 2013 ha sido otorgado a dos de los tres físicos teóricos que formularon el mecanismo de Brout-Englert-Higgs que da masa a las partículas fundamentales y que predice la existencia del bosón de Higgs. François Englert, de la Universidad Libre de Bruselas, Bélgica, junto al ya fallecido Robert Brout, de la misma universidad, y Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, Escocia, publicaron esta teoría en 1964 en la revista Physical Review Letters. Aunque mi predicción podía parecer fácil, mucha gente pensaba que el CERN, como institución, o el LHC, recibirían también el premio, o incluso que Philip Anderson, ya premio Nobel en 1977, o Tom Kibble, serían el tercer físico que acompañaría a Englert y Higgs, pero no acertaron. En este mi último podcast sobre el bosón de Higgs recordaré el papel de Anderson, y presentaré una curiosa idea, la «higgsogénesis» como explicación de la asimetría entre la materia y la antimateria.

Acceso gratuito a los artículos de F. Englert and R. Brout, «Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons,» Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964), y P. W. Higgs, «Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons,» Phys. Rev. Lett. 13, 508 (1964). La historia de Anderson, contada por sus propias palabras, en «Interview with Dr. Philip Anderson,» by P. Chandra, P. Coleman and S. Sondhi, 1999.

Sobre la higgsogénesis recomiendo Eugenie Samuel Reich, «‘Higgsogenesis’ proposed to explain dark matter,» News, Nature, 4 October 2013 (traducción al español). Siendo los artículos técnicos Geraldine Servant, Sean Tulin, «Higgsogenesis,» (Accepted in PRL) arXiv:1304.3464 [hep-ph], y Sacha Davidson, Ricardo Gonzalez Felipe, H. Serodio, Joao P. Silva, «Baryogenesis through split Higgsogenesis,» arXiv:1307.6218 [hep-ph].

Francis en Trending Ciencia: El campo de Higgs y la inflación cósmica

Ya puedes escuchar mi nuevo Podcast para Trending Ciencia sobre el bosón de Higgs (siento que mi voz no sea perfecta pero la tengo un poco tocada). Como siempre una transcripción del audio.

La teoría del big bang, la gran explosión, asume que el universo inició la flecha del tiempo y la expansión cósmica hace 13 800 millones de años. Hoy en día el universo es más grande de lo necesario para explicar por qué es tan homogéneo y tan isótropo a grandes escalas. El universo visible tiene un diámetro radio de unos 93.000 millones de años luz, un radio mucho mayor que lo que puede recorrer la luz durante toda su edad, 13.800 millones de años, ya que el universo está en expansión. La explicación más sencilla es la inflación cósmica introducida en 1981 por el físico Alan H. Guth y otros físicos (como Andrei Linde, Andreas Albrecht y Paul Steinhardt). Las inhomogenidades y las anisotropías en los primeros instantes de la gran explosión serían aplanadas por una hiperaceleración brevísima de la expansión del universo en los primeros instantes del big bang que daría lugar a un universo plano, homogéneo e isótropo, compatible con el análisis del fondo cósmico de microondas observado por el telescopio espacial Planck de la ESA. Hoy en día la inflación forma parte del modelo cosmológico de consenso y muy pocos cosmólogos dudan de su existencia.

La posible curvatura negativa del universo

Saber si el universo es plano (Ωk = 0) es imposible. Los experimentos sólo pueden poner un límite superior a su curvatura. El fondo cósmico de microondas (CMB) observado por el telescopio espacial Planck de la ESA nos ha permitido obtener un valor combinado Planck+WMAP9+ACT+SPT+BAO de Ωk = 0,0005 ± 0,0070 al 95% C.L. El universo parece plano, pero podría tener una pequeñísima curvatura, positiva o negativa. El CMB observado por Planck muestra varias anomalías a gran escala en el universo (para los multipolos acústicos con ℓ < 40, por encima de 3º de cielo) que no tienen explicación dentro del modelo cosmológico de consenso ΛCDM (que ajusta perfectamente los multipolos entre 50 < ℓ < 3000, por debajo de 2º de cielo). Una de las anomalías es una asimetría norte-sur con respecto al plano de la eclíptica (el plano del Sistema Solar). Andrew Liddle y Marina Cortês, ambos de la Universidad de Edimburgo, Reino Unido, publican en Physical Review Letters una explicación de esta anomalía que asume que el universo es abierto y tiene una pequeñísima curvatura negativa. Los datos que Planck publicará en junio de 2014, que incluyen la polarización del CMB, confirmarán (o descartarán) la anomalía y estimarán la curvatura por debajo de los límites compatibles con la idea de Liddle y Cortês. Mientras tanto estos físicos disfrutarán de su momento de gloria. Muchos medios se han hecho eco de su trabajo, como Ron Cowen, «Universe may be curved, not flat,» Nature News, 20 Sep 2013; Marc Kamionkowski, «Is the Lopsided Universe an Open Universe?,» Viewpoint, Physics 6: 98, Sep 9, 2013; el artículo técnico es Andrew R. Liddle, Marina Cortês, «Cosmic Microwave Background Anomalies in an Open Universe,» Phys. Rev. Lett. 111: 111302, Sep 9, 2013.

Francis en Trending Ciencia: Asuntos de familia del Higgs

Mi segundo podcast de la segunda temporada de Trending Ciencia lo puedes escuchar siguiendo este enlace, trata sobre el Higgs y su familia. No, no se trata de prensa rosa sobre el matrimonio de Peter Higgs, futuro ganador del Premio Nobel de Física de 2013. Si el tema te interesa, este podcast no resolverá tus dudas.

Todas las partículas del modelo estándar vienen en familias. Hay tres familias de leptones y tres familias de quarks. Hay una familia de cuatro bosones electrodébiles (incluyendo entre ellos el fotón) y una familia de ocho gluones. ¿Por qué el bosón de Higgs tiene que estar más solo que la una? Muchos físicos téoricos han propuesto modelos que incluyen toda una familia de bosones de Higgs. El modelo estándar sólo ha encontrado un bosón, el de menor masa en la familia, pero nada impide que existen otros miembros de mayor masa. Permíteme recordar estas ideas.

Más información en, por ejemplo, P. M. Ferreira, Rui Santos, «2HDM benchmarking,» PDF, Jun 18, 2013, Simon Köhlmann (on behalf of ATLAS and CMS), «Searches for Higgs in 2HDM at the LHC,» Workshop on Higgs and Beyond, Tohoku University, Sendai, Japan, 5th–9th, Jun, 2013 [slides].

La estabilidad del vacío del modelo estándar

La masa del bosón de Higgs y del quark top (cima) apuntan a que el vacío del modelo estándar es metaestable, aunque no estamos del todo seguros porque está en el borde entre estable y metaestable. Además, los errores son muy grandes, tanto los experimentales, sobre todo en la masa del quark top, como los teóricos, hay que extrapolar los cálculos hasta la escala de Planck y las correcciones de mayor orden podrían ser importantes. Quizás sea por puro azar, o quizás haya algo profundo oculto, pero las masas del Higgs y del quark top parecen ajustadas en un punto crítico doble en relación a la estabilidad del vacío. Nos lo contó Pier Paolo Giardino (Univ. Pisa / INFN Pisa), «Is that a Standard Higgs? And now?,» CP³ Origins, slides pdf / video flash. Su artículo técnico es Dario Buttazzo, Giuseppe Degrassi, Pier Paolo Giardino, Gian F. Giudice, Filippo Sala, Alberto Salvio, Alessandro Strumia, «Investigating the near-criticality of the Higgs boson,» arXiv:1307.3536 [hep-ph].