Por qué si el LHC del CERN observa un bosón de Higgs nadie se lo creería o el problema de la calibración de los detectores

Esta figura hecha pública por el detector CMS de LHC del CERN el martes 30 de marzo muestra el cálculo de la masa del pión (mesón pi) neutro gracias a su desintegración en dos fotones. La masa observada es de 116’25 ± 0’33 MeV/c². Sin embargo, el Particle Data Group indica que su masa es 134’9766 ± 0’0006 MeV/c². El valor de la masa del pión neutro obtenido el primer día de colisiones del LHC tiene un error del 14%. ¿Cómo es posible? ¿Nueva física? No, problemas de calibración. La energía en los calorímetros no está calibrada y a baja energía los errores son enormes. Las primeras semanas de toma de datos se dedicarán a calibrar todos los detectores utilizando el modelo estándar como referencia. Hay que calibrar muchísimos parámetros antes de confiar en la física que se observe en el LHC. ¿Sorprendente? Para muchos será sorprendente que los detectores de una máquina en la que trabajan miles de investigadores no se puedan calibrar antes de iniciar las colisiones, utilizando rayos cósmicos, por ejemplo, pero así es. Cada vez que se cambia la energía de las colisiones hay que recalibrar. Visto en Edgar Carrera, “Immediate rediscovery of physics,” US LHC Blog, 30 Mar 2010. Ver también los comentarios en esta entrada del blog de Tommaso Dorigo.

Sophie Morel, la primera mujer profesora en el Departamento de Matemáticas de la Harvard

Sophie (Marguerite) Morel, 31 años, que algunos ven como posible candidata a ser la primera mujer en recibir la Medalla Fields (aunque no en la India en 2010), acaba de ser elegida profesora del Departamento de Matemáticas de la Universidad de Harvard. Obtuvo su tesis doctoral en 2005, trabajó en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton de 2006 a 2008, actualmente miembro del Instituto Clay de Matemáticas, culmina ahora su espectacular carrera en Harvard (mantiene su plaza en el Clay). Enhorabuena, Sophie. Más información y foto en “Mathematician gains dual appointments. Sophie Morel will join FAS, Radcliffe Institute,” Harvard gazette, 03 apr. 2010. Visto en “Short Items,” Not Even Wrong, April 2nd, 2010. Impartirá el curso MATH 129: “Number Fields” sobre Teoría Algebraica de Números (Spring 2009-2010). Más información en “Sophie Morel Named Professor of Mathematics and Radcliffe Alumnae Professor at Harvard,” January 14, 2010.

Por cierto, Harvard ya no es lo que era (la primera universidad del mundo en la mayoría de los listados) y se espera que este año abandone su puesto de primacía (aunque no abandonará el top 5). La crisis, que mala es la crisis.

PS (06 abr. 2010): Como bien dice un lector, o quizás lectora, sorprende que sea noticia “la primera mujer que…” en lugar de “Sophie M. Morel…” Lo ilustra muy bien la siguiente viñeta (vista en “Women & STEM (Part 1): Lack of Interest and Other Lies,” Mary, April 6, 2010).

La última década en la física teórica de partículas elementales

Adam Falkowski, físico teórico, ahora postdoc en la Universidad de Rutgers, durante su doctorado en el CERN inició un interesante blog de física teórica, Resonaances. Su último artículo nos resume los avances más importantes en física teórica durante la década de 2000-2009. Obviamente es su visión personal, pero me ha gustado. Por ello, permitidme llamaros la atención al respecto con un resumen de Jester, “Farewell to the Noughties – Theory,” Resonaances, Saturday, 3 April 2010. Jester aprovecha que las primeras colisiones de partículas en el LHC a 7 TeV son un antes y un después en física de partículas para resumirnos los avances más importantes en física teórica en la década de los 2000 (“noughties” en inglés). Permitidme mi visión personal sobre sus ideas (lo que empezó siendo una traducción se ha convertido en una redacción).

La supersimetría no es la única solución para estabilizar el bosón de Higgs. La contribución del bosón de Higgs en el modelo estándar es su propia ruina, ya que dota a las partículas de masa en reposo a costa de introducir correcciones divergentes cuadráticamente a nivel cuántico. La única manera de domeñar estas correcciones es que existan nuevas simetrías o nuevas partículas en la escala del TeV, la que explorará el LHC del CERN. La solución más conocida a este problema es la supersimetría: cada partícula masiva tiene como compañera una superpartícula mucho más masiva que cancelan mutuamente sus contribuciones cuadráticas. En los 2000 se han propuesto muchos otros modelos teóricos que logran estabilizar el modelo estándar. Lo bueno y lo malo de estos modelos es que son tan buenos o tan malos como la supersimetría para lograrlo. Así que la una única manera de elegir el correcto está en el sector experimental.

La cromodinámica cuántica (QCD) sigue viva y coleando. Los cálculos en QCD son extremadamente complicados y se necesitan grandes supercomputadores (QCD en redes). Los físicos teóricos llevan años buscando teorías efectivas que faciliten los cálculos (usando software de cálculo simbólico) y esta década se han presentado varios avances (como la teoría SCET, por soft-collinear effective theory). También se han presentado varios cálculos heroicos de correcciones de alto orden a procesos del modelo estándar que serán estudiaado en el LHC. Aunque estos avances son “aburridos” son clave para hacer la vida de los físicos experimentales del LHC mucho más sencilla.

La física de la materia oscura es “exótica” de lo esperado. Los resultados experimentales de la búsqueda de partículas candidatas a materia oscura ha ofrecido evidencias de que la materia oscura es más “exótica” de lo que se pensaba. Los dos candidatos “oficiale” (las partículas tipo WIMP, como los neutralinos, y los axiones) encuentran dificultades a la hora de explicar estas evidencias (aún por confirmar). Por ello se ha trabajado mucho en otros candidatos más exóticos, como partículas de Kaluza-Klein, gravitinos, e incluso miniagujeros negros.

Nuevas técnicas para calcular diagramas de Feynman. La física de partículas es “aburrida” para mucha gente porque está plagada de diagramas de Feynman. Los procesos de alto orden requieren la evalucación de cientos de diagramas. Utilizando software simbólico se evitan errores pero los cálculos se simplifican poco. En esta última década se han desarrollado varias técnicas “mágicas” para calcular diagramas de Feynman en bloque, combinando varios diagramas en un nuevo diagrama efectivo más simple. Técnicas basadas en ideas de la teoría de cuerdas, en el uso de espacios de twistores, relaciones de recurrencia BCFW, reglas CSW, etc. Estas técnicas han tenido especial relevancia en el cálculo de los diagramas de Feynman que aparecen en las extensiones supersimétricas del modelo estándar.

Finalmente, siguen de moda las dimensiones extra. El desarrollo de nuevos modelos físicos ha estado dominado por los trabajos en dimensiones extra de Randall y Sundrum, con un fuerte uso de las conjeturas tipo AdS/CFT.

Por cierto, los interesados en conocer la visión de Jester sobre las aportaciones más importantes de la última década en el lado experimental de la física de partículas elementales pueden recurrir a “Farewell to the Noughties – Experiment,” Resonaances, 29 January 2010.

La respuesta de Garrett Lisi a la crítica de Distler y Garibaldi a su teoría de todo basada en E8

Garrett Lisi, el físico surfero, es mediático (“Cientificos maravillados con una nueva teoría del todo“) y si alguien critica su teoría afirmando que es incorrecta (“Refutada la “Teoría del Todo” del físico surfero,” Ciencia Kanija, este blog), él publica una respuesta mediática. Su respuesta al artículo técnico de Jacques Distler y Skip Garibaldi se ha publicado en su blog en el FQXi (que financia su investigación) “E8 theory disproved?,” Mar. 29, 2010. Yo me pregunto, ¿por qué ha esperado casi un año Garrett para ofrecer una respuesta? Quien sabe…  Su respuesta es simple: no entiende los argumentos de Garibaldi y Distler, pero tienen que ser incorrectos, faltaría más, su teoría es correcta luego ellos están equivocados. Nos cuenta bastante bien el estado del asunto Lubos Motl, “Lisi, Distler, Garibaldi, and chirality,” The Reference Frame, April 02, 2010. Lubos nos cuenta que le preguntó al genial Leonard Susskind en una conferencia en Praga por la teoría de Garrett Lisi. La respuesta de Susskind fue sencilla: si todo el mundo decide que es incorrecta, no hay nada más que decir. De todas formas, Lubos nos comenta 10 hechos que resumiré aquí.

1. La teoría de Lisi incluye los grupos de simetría correctos para todas las fuerzas (excepto la gravedad). Sí, las incluye, ya que los grupos de simetría del modelo estándar son subgrupos del grupo E8, pero esto ya se sabía hace 25 años (fue la razón por la que se introdujo la teoría de cuerdas heteróticas, basada en E8×E8).

2. La teoría de Lisi incluye la representación correcta de los grupos de simetría para los fermiones de una generación (dos quarks, el electrón y un neutrino), pero eso ya se sabía hace 35 años, cuando grupos como E6 y E8 fueron propuestos en el contexto de una teoría de gran unificación (GUT).

3. Pero la teoría de Lisi no incluye la gravedad, ya que la gravedad no puede emerger de una teoría de Yang-Mills pura cualquiera que sea el grupo de simetría utilizado. El grupo de difeomorfismos, la clave de la covarianza de la relatividad general, no se puede obtener como subgrupo del grupo de una teoría de Yang-Mills y la simetría de Lorentz local no es suficiente para obtener un gravitón con la polarización correcta.

4. Tampoco incluye la teoría de Lisi la quiralidad del modelo estándar, que no puede emerger de una teoría que utilice el grupo E8, ya que este grupo no tiene representaciones complejas. El artículo de Distler y Garibaldi discute este punto en detalle. La simetría de E8 no se puede romper dando lugar a configuraciones quirales como las del modelo estándar.

5. Ni ofrece la teoría de Lisi ningún tipo de teoría cuántica unificadora, limitándose a presentar lagrangianos clásicos, que dado que utiliza grupos no compactos, nadie sabe utilizar para construir una teoría cuántica bien definida.

6. Tampoco unifica la gravedad con el resto del modelo estándar, la teoría de Lisi afirma unificar bosones y fermiones sin utilizar la supersimetría, pero sólo presenta una simetría compatible con bosones. Lisi habla de “fermiones espejo” pero nadie tiene claro que es lo que quiere decir con ello. 

7. La teoría de Lisi no admite múltiples generaciones de partículas (se conocen en la actualidad tres).

8. Obviamente, Lisi no discute la renormalizabilidad de su teoría, concepto que sólo se puede discutir en el contexto de una teoría cuántica, siendo la teoría de Lisi, por el momento, clásica.

9. La teoría de Lisi no incluye la gravedad cuántica y como afirma incluir la teoría de la gravedad clásica de Einstein, que no es renormalizable, como teoría de gravedad cuántica no puede ser renormalizable.

10. No resuelve problemas tan importantes como el problema de la jerarquía, ¿por qué el bosón de Higgs es ligero?

11. No aporta ningún candidato a materia oscura. La teoría de Lisi es una teoría “mínima” que trata de no predecir nada nuevo para no meter la pata, pero claro, sin candidato a materia oscura, su teoría mínima contradice la evidencia astrofísica y cosmológica.

12. No aporta una solución al problema de la constante cosmológica (o al problema de la energía oscura).

En resumen, Lubos Motl está entre los críticos de las ideas de Lisi, ideas que se llevará el viento como en “lo que el viento se llevó.”

El papel de Emmy Noether en el desarrollo de la teoría de la relatividad general de Einstein

Un artículo de Juan José R. Calaza,  economista y matemático, titulado “Dudas respecto a Albert Einstein,” Levante-EMV.com, 01-04-2010 [visto en Menéame], me ha hecho recordar la historia del debate sobre la prioridad entre Einstein y Hilbert sobre el descubrimiento de la ecuación fundamental de la relatividad general. Afirma en su artículo que “antes que Einstein, la Relatividad General fue formalizada por David Hilbert, también en 1915, de forma más completa, elegante y robusta; entre otras razones técnicas por el atinado uso del teorema, sin publicar por entonces, de Emmy Noether, matemática alemana, de religión judía.” ¿Uso Hilbert el teorema de Noether en su formulación de las ecuaciones de Einstein? El (segundo) teorema de Noether fue presentado en una conferencia por Klein en 1916, porque Noether era mujer y eran otros tiempos, publicado por ella en 1918. El teorema es fundamental para entender la conservación de la energía en las ecuaciones de Einstein. ¿Uso Hilbert en sus “Foundations of Physics” el teorema de Noether? El “Teorema I” de Hilbert está considerado como un caso particular del llamado segundo teorema de Noether. Hilbert afirmó que dicho teorema era el leitmotiv su teoría covariante unificada que combina la gravitación y el electromagnetismo no lineal de Mie, teoría en la que se presenta su ecuación para la gravitación. Noether demostró en 1915 su primer teorema, pero su segundo teorema es considerado por los historiadores como posterior a la publicación del trabajo de Hilbert. Aprovecharé la ocasión para recordar algunas cosas al respecto de la polémica Einstein-Hilbert e indicaros algunas referencias para los interesados en más detalles (de Noether, hablar, no hablaré más; pido perdón a quien se sienta engañado por el título).

Lo primero, durante la vida de David Hilbert y Albert Einstein nadie se preocupó por la cuestión de la prioridad en la derivación de las ecuaciones de Einstein. Tanto Einstein como Hilbert obtuvieron las ecuaciones por caminos distintos. Ambos se cartearon y se influyeron mutuamente. Pero ambos lo tenían muy claro, fue Einstein el que las obtuvo en primer lugar (algunos historiadores piensan que a Hilbert la cuestión le importaba un comino). La polémica sobre la prioridad se puso de moda en los 1970, muchos años después de que ambos hubieran fallecido.

La polémica es la siguiente. El día 20 de noviembre de 1915, Hilbert envió a publicación un manuscrito en el que aparecía la ecuación covariante para la gravitación en relatividad general. Distibuyó copia de este manuscrito entre mucha gente, entre ellos el propio Einstein. Einstein envió su manuscrito con la ecuación covariante para la gravitación el 25 de noviembre de 1915, cinco días después de Hilbert y habiendo recibido copia del manuscrito de Hilbert. ¿Fue Hilbert el primero?

Entre los historiadores de la ciencia especializados en el desarrollo de la relatividad general de Einstein el debate ha sido muy intenso, pero la gran aportación a la polémica la obtuvo el historiador Leo Corry, que analizó los manuscritos originales de Hilbert (encontrados en 1994) y las correcciones que introdujo en ellos a partir de las cartas que Einstein le envió (las que él le envió a Einstein se perdieron). El análisis de este material demostró que las pruebas originales del 20 de noviembre de 1915 no incluían la ecuación de Einstein ni su teoría era completamente covariante (el manuscrito difería en muchos detalles de lo que finalmente su publicó, pero se mantuvo la fecha original de envío en la publicación final). Tras conocer el artículo posterior de Einstein, Hilbert añadió correcciones a dicho manuscrito, que ya había sido enviado, Hilbert en aquella época era muy poderoso, que aparecieron en la versión publicada de dicho artículo, el 31 de marzo de 1916.

 La solución de Corry a la polémica se publicó en la mismísima Science, lo que no es moco de pavo. Leo Corry, Jürgen Renn, John Stachel, “Belated Decision in the Hilbert-Einstein Priority Dispute,” Science 278: 1270-1273, 14 November 1997. Más aún, escribió un artículo para la revista española Investigación y Ciencia sobre este tema, “Einstein, Hilbert y la Teoría General de la Relatividad“, Investigación y Ciencia 206: 28-34, Nov. 1998 . Artículo que os recomiendo y que yo, como supongo que muchos de vosotros, disfruté en su momento.

Polémica resuelta. Bueno, sí y no. Para los historiadores de la ciencia la polémica está resuelta. Sin embargo, sigue habiendo mucha gente que sigue pensando que Hilbert se adelantó a Einstein. Por ejemplo, Dieter W. Ebner, “How Hilbert has found the Einstein Equations before Einstein and forgeries of Hilbert’s page proofs,” ArXiv, Submitted on 19 Oct 2006. Este artículo es interesante porque indica que el Teorema I del manuscrito de Hilbert que aparecía en las primeras versiones de su manuscrito estaba demostrado incorrectamente. La mayoría de los investigadores que no están de acuerdo con el análisis de Corry consideran que Hilbert y Einstein derivaron la misma ecuación de forma independiente y utilizando argumentos físicos y matemáticos diferentes. En esta línea es interesante el artículo del polémico Logunov (gran opositor a las ideas de Einstein, que desarrolló la “Teoría Relativista de la Gravitación” donde el espaciotiempo es plano y la gravitación es un campo similar al electromagnetismo): Anatolii A Logunov, Mirian A Mestvirishvili, Vladimir A Petrov, “How were the Hilbert–Einstein equations discovered?,” Physics-Uspekhi 47: 607-621, 2004.

Lo que debe quedar claro sobre la autoría de la relatividad general nos lo cuenta muy claramente John Stachel, “New Light on the Einstein-Hilbert Priority Question,” J. Astrophys. Astr. 20: 91–101, 1999 [trabajo que fue realizado conjuntamente con Leo Corry y Jürgen Renn]. El desarrollo de la teoría general de la relatividad es una obra en tres actos. El acto I es la formulación del principio de equivalecia (Einstein, 1907-1908); el acto II, es la elección del tensor métrico como campo relativista que generaliza al potencial gravitatorio escalar de Newton (Einstein, 1912-1913); y el acto III, la búsqueda de la ecuación correcta para el tensor métrico (Einstein, con la ayuda inicial de Grossmann, 1913-1915, y Hilbert 1915). Las ecuaciones de Einstein-Grossmann de 1913 iban en la línea correcta, pero Einstein pensaba que su límite clásico (newtoniano) era incorrecto (el “problema del agujero”). Einstein pensó que el problema era propio de cualquier teoría covariante de la gravitación. Se equivocaba, como sabemos ahora. Empezó una búsqueda de ecuaciones no covariantes, un camino equivocado, pero quizás un camino que tenía que recorrer antes de obtener la respuesta correcta.

David Hilbert entró en la búsqueda de la ecuación correcta en el verano de 1915. Einstein estaba buscando una ecuación no covariante y fue invitado por Hilbert para dar una serie de conferencias en Gotinga (del 29 dej unio al 7 de julio). Gotinga era la capital matemática del mundo, contando con genios como Felix Klein y Emmy Noether (recién incorporada, no sin polémica). Hilbert estaba trabajando en la teoría electrodinámica no lineal de Mie y disfrutó con las conferencias de Einstein. En otoño de 1915, Einstein y Hilbert mantuvieran una intensa correspondencia que fue clave para que Einstein retornara a la covarianza general, al tensor de Ricci, que ya aparecía en la ecuación de Einstein-Grossmann, y al uso del tensor de energía-esfuerzos (artículos enviados a publicación el 4 y el 11 de noviembre de 1915). La solución del problema de la precesión anómala del perihelio de Mercurio fue enviada el 18 de noviembre. La forma final, definitiva, de las ecuaciones de la gravedad la envió Einstein el 25 de noviembre de 1915. Hilbert mientras tanto se centró en formular unas ecuaciones unificadas pque combinanaban la gravitación de Einstein y el electromagnetismo de Mie en una formulación basada en un principio de covarianza general. En este contexto, surgió el artículo en el que Hilbert publicó las ecuaciones de campo correctas unos días antes que Einstein, ecuaciones que le envió por carta el 18 de noviembre y que envió a publicación el 20 de noviembre.

Bueno, ya hemos dicho cual fue la aportación de Corry et al. y como se resolvió la polémica. Las cartas originales entre Einstein y Hilbert, así como los manuscritos originales de los artículos de esta época aparecen en “Einstein Studies, volume 11,” que nos comenta en detalle David E. Rowe, “Einstein Studies, volume 11: A retrospective review,” Studies In History and Philosophy of Science Part B: Studies In History and Philosophy of Modern Physics 39: 667-686, September 2008.

Por cierto, los intereados en más detalles sobre el artículo de Hilbert disfrutarán con K.A. Brading, T.A. Ryckman, “Hilbert’s ‘Foundations of Physics’: Gravitation and electromagnetism within the axiomatic method,” Studies In History and Philosophy of Science Part B: Studies In History and Philosophy of Modern Physics 39: 102-153, January 2008.