Por qué el LHC del CERN se diseñó para colisionar dos haces de protones de 7 TeV

Los protones son partículas compuestas de quarks y gluones (partones). Cuando dos protones colisionan entre sí en realidad colisionan los quarks y gluones que los constituyen. La energía de cada quark es aproximadamente 1/6 de la energía total del protón. Si queremos colisiones de dos quarks cada uno con 1 TeV debemos usar protones con una energía como mínimo de 6 TeV. Por si acaso, se decidió diseñar el LHC para colisionar protones con una energía un poco mayor, 7 TeV. Por ello, a máxima energía, en el LHC del CERN se colisionarán protones contra protones con una energía en el centro de masas de 14 TeV, lo que significa que en realidad colisionarán partones (quark-quark, gluón-gluón) con una energía en el centro de masas menor de 2’33 TeV, en el mejor caso. En la práctica la mayoría de las colisiones de partones tendrán una energía del orden de 1 TeV en el centro de masas. Por qué conformarse con colisiones de partones hasta de 1 TeV. Porque el objetivo fundamental del LHC del CERN es estudiar en detalle la escala de la ruptura espontánea de la simetría electrodébil, es decir, energías hasta 1 TeV (y un poco mayores). Como en las colisiones protón-protón en realidad colisionan los partones (quarks y gluones), no importa si colisionan protones contra protones o protones contra antiprotones, siendo  la primera opción mucho más barata. La figura muestra una colisión típica en el LHC que produzca un bosón de Higgs, pp → qq → WW→ H → ZZ, donde la colisión protón-protón, en realidad es un colisión quark-quark, que en realidad es una colisión entre bosones W, que produce un Higgs que se desintegra en un par de bosones Z que a su vez se desintegrarán en chorros (jets) de partículas. En resumen, dos protones colisionan y observamos dos chorros de partículas aunque han ocurrido muchas cosas en el intríngulis. Más detalles de carácter divulgativo sobre estos asuntos en Rohini M. Godbole, “Story of a journey: Rutherford to the Large Hadron Collider and onwards,” ArXiv, Submitted on 6 Jul 2010. Más información técnica sobre el diseño el LHC en Lyndon Evans y Philip Bryant, “LHC Machine. The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments,” Journal of Instrumentation 3: S08001, August 2008 [165 páginas, artículo gratuito].

Resumen de los resultados del último año del experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab

Para ayudar a los miembros de la colaboración o experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab a la hora de enviar artículos a conferencias internacionales se ha publicado una página web que resume todos los resultados obtenidos por CDF en el último año (desde julio del año pasado): “CDF Results for 2010 Winter Conferences (only new results since the 2009 Summer Conferences are listed),” 2 July 2010. Os resumo algunos de estos resultados. Los interesados en más resultados y en los detalles pueden consultar dicha página web.

  • La masa del quark top obtenida con 4’8/fb de colisiones es mt = 172’8 ± 0’7 (stat.) ± 0’6 (JES) ± 0’8 (syst.) GeV/c² = 172’8 ± 1’3 (total) GeV/c².
  • La anchura de la resonancia asociada al quark top (con 4’3/fb) es Γt < 7’5 GeV (al 95% de confianza) y 0’4 GeV<Γt < 4’4 GeV (al 68%).
  • La sección eficaz para la producción de par de quarks top-antitop obtenida (con 4’3/fb) es de 6’88 ± 0’29 (stat) ± 0’83 (sys)  ± 0’42 (lumi) pb (picobarns).
  • Se excluye la existencia de un quark t’ de cuarta generación  (con 4’6/fb) con una masa inferior a 335 GeV/c² (al 95% CL).
  • La combinación de observaciones de CDF y DØ con una luminosidad total de 2’0-5’4 /fb excluye la masa del bosón de Higgs entre 163 y 166 GeV/c² (al 95% CL).
  • La masa del bosón de Higgs según CDF con 4’8 /fb de colisiones se encuentra en el intervalo entre 115 y 165 GeV/c² (al 95% CL).
  • La vida media obtenida (con 4’3/fb) paras los mesones B+ = 1’639 ± 0’009(stat.) ± 0’009 (syst.) ps (picosegundos) y B0 = 1’507 ± 0’010(stat.) ± 0.008 (syst.) ps.

¡Ah!, por cierto, los amantes de la rumurología disfrutarán con la última entrada de Tommaso Dorigo que afirma que en el Tevatrón se ha logrado obtener una evidencia de 3 sigma de la existencia de un bosón de Higgs de baja masa en “Rumors About A Light Higgs,” A Quantum Diaries Survivor, July 8th 2010 (obviamente Lubos Motl se hace eco). A Tommaso le encanta lanzar rumores al vuelo. Pero no hay que repicar las campanas, la evidencia de un bosón de Higgs con una masa baja (unos 115 GeV/c²) en el extinto LEP2, hace casi 10 años, era también de casi 3 sigma. Así que, incluso si se confirma el rumor, el nuevo dato aporta poco a lo que ya sabíamos hace 10 años… más allá de una noticia en blogs como este y un artículo publicado en una revista internacional.

La historia de los quarks y Murray Gell-Mann

Es todo un placer leer la historia de la ciencia de manos de sus propios autores. Como nos dice George Zweig, nadie es consciente de que asiste a una revolución en primera persona, se necesitan muchos años para comprender la importancia y el significado de los hechos que modelan la historia. Recomiendo la lectura de George Zweig, “Memories of Murray and the Quark Model,” ArXiv, 3 Jul 2010. Permitidme extraer algunas frases para iros abriendo boca.

En 1949, Fermi y Yang publicaron un artículo que sugería que el pión no era una partícula elemental, sino un estado ligado de un nucleón y un antinucleón. Un nucleón es un protón o un neutrón. Sakata extendió dicho modelo a mesones y bariones suponiendo que estaban formados por el protón (p), el neutrón (n) y la partícula lambda (Λ). En 1963 se sabía que el modelo de Sakata no era correcto, pero la idea de que los hadrones (mesones y bariones) estaban formados por constituyentes más pequeños estaba en el aire. Zweig reemplazó los tres constituyentes del modelo de Sakata por nuevas partículas desconocidas, denotadas p0, n0 y Λ0, a las que llamó “ases” (aces). Se conocían 4 leptones (electrón, muón y sus neutrinos) y Zweig pensó que tendría que haber cuatro “ases” como en la baraja, aunque su modelo explicaba todos los hadrones utilizando solo 3. Zweig asignó a sus “ases” un número bariónico 1/3 (lo que implica una carga fraccionaria). El “as” Λ0 sería más pesado que los otros dos “ases” y explicaría la vía óctuple de Gell-Mann, la simetría SU(3) accidental de la fuerza nuclear fuerte. ¿Existían los “ases”? No podían existir porque la partícula Ω¯, que estaría formada por tres  Λ0, violaba el principio de exclusión de Pauli (que la QCD evitó gracias a la carga de color). Cuando Zweig le expuso sus ideas a Gell-Mann el pensó que los “ases” eran un mero juguete formal.

Gell-Mann había introducido la vía óctuple, la simetría SU(3) y los quarks que constituyen los mesones y los bariones, en 1961 como una extensión del modelo de Sakata. Afirma en dicho artículo que “no le atribuimos ningún significado físico a las (nuevas) partículas (teóricas) que constituyen los bariones. La discusión por el momento se reduce a una introducción matemática a las propiedades del espín unitario.” Más adelante, gracias a una idea de Serber, en la primavera de 1963, Gell-Mann volvió a especular sobre la idea de que los quarks fueran partículas en un artículo publicado en febrero de 1964. Dicho artículo acaba afirmando que “sería divertido especular sobre si los quarks fueran partículas físicas con una masa finita (en lugar de entidades puramente matemáticas en el límite de masa infinita). […] Una búsqueda de los quarks con carga -1/3 y 2/3 en los aceleradores más energéticos serviría para corroborar que no existen los quarks reales.” Cinco meses más tarde afirmaba Gell-Mann en otro artículo que “hemos construido una teoría matemática de partículas con interacción fuerte, que puede tener o no algo que ver con la realidad, hemos encontrado las relaciones algebraicas que cumple el modelo, hemos postulado su validez, y hemos expuesto el modelo resultante. Este proceso se parece a lo que se hace en la cocina francesa: se cocina un filete de faisán entre dos filetes de ternera y luego estos últimos se desechan.”

En una charla que Gell-Mann impartió en 1972 titulada “Quarks” presentó su modelo de “corrientes de quarks” mencionando solo de pasada los quarks como constituyentes de los hadrones: “la idea es que los hadrones se comportan como si estuvieran formados por quarks, pero los quarks no son reales. Los quarks violan las leyes estadísticas del espín luego no pueden ser partículas reales. […] La idea de las “corrientes de quarks” es que los quarks son partículas ficticias que nunca serán descubiertas experimentalmente. […] Los quarks son solo una construcción matemática útil para describir la fuerza fuerte y no tienen existencia independiente.” En octubre de 1972 todo cambió con el descubrimiento de la partícula ψ/J que convenció a todo el mundo de que la existencia de los quarks como partículas reales era obvia. En 1977 Feynman nominó al Premio Nobel a Gell-Mann (ya lo era) y a Zweig (ver figura más abajo). Los “ases” de Zweig ya eran parte integral del modelo estándar gracias a la idea de la carga de color (la cromodinámica cuántica).

Manuel Yuste Llandrés recibe el premio de enseñanza universitaria de la física de la RSEF

Manuel Yuste Llandrés, catedrático en el departamento de física de materiales de la UNED, que fue mi profesor en Óptica de Fourier y en Física Atómica y Molecular, ha recibido el Premio de Enseñanza Universitaria de la Física que la Real Sociedad Española de Física y la Fundación BBVA entregan todos los años. Se premia su labor en el diseño y desarrollo de experimentos para cursos de Mecánica, de Termodinámica, de Electricidad y Magnetismo y de Óptica, que Manuel ha publicado en muchos artículos y que ha resumido en su libro junto a Carmen Carreras Béjar, “Experimentos caseros para un curso de Física General,” Cuadernos de la UNED, 130, Madrid, 1994. Un libro que desde aquí recomiendo a todos los profesores de física general. Nos lo han contado en “Premios de la Real Sociedad Española de Física para la investigación en partículas y en nuevos materiales. Los galardones se otorgan, en colaboración con la Fundación BBVA, en ciencia básica y aplicada, así como a jóvenes promesas,” El País, 06/07/2010, y en Ana Luz Díaz, “Dos mujeres, premios de Física por primera vez en 52 años,” El Mundo, 06/07/2010.

“Desde hace 58 años la Real Sociedad Española de Física (RSEF) viene premiando a los científicos y docentes más destacados en su disciplina. La protagonista de esta edición es la Dra. Elvira Moya que recibió la medalla de honor por su carrera investigadora especializada en Física Nuclear. Una mujer atípica para su época que consiguió investigar en los centros más prestigiosos del mundo como el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), que ha recibido el galardón de la mano de la primera mujer presidente de la RSEF en sus 107 años de historia, M. Rosario Heras. También ha sido galardonada la Dra. María Amparo Tórtola, una joven promesa autora del artículo más citado de la comunidad española de física de partículas de los últimos cinco años. Tórtola es investigadora del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y de la Universitat de València cuya tesis doctoral bajo la dirección de José Valle sobre la caracterización de la oscilación de los neutrinos ha generado 18 publicaciones científicas, una de las cuales se ha convertido en referente en este campo con más de 700 citas.”

Por cierto, el artículo de Tórtola que ha recibido tantas citas es Michele Maltoni, Thomas Schwetz, Mariam Tórtola, José W F Valle, “Status of global fits to neutrino oscillations,” New Journal of Physics 6: 122 (37 pp), 2004 [gratis en ArXiv]. Un artículo de revisión que analiza el estado actual (en 2004) de los ajustes experimentales y teóricos de los parámetros de oscilación de los neutrinos (que oscilan porque tienen masa en reposo no nula). Es un artículo muy bien ilustrado y que se lee fácil (lo digo por si alguno se atreve).

Un modelo excepcionalmente simple capaz de incorporar los efectos de la turbulencia de pared

Simulación de turbulencia de pared de Sergio Hoyas y Javier Jiménez (http://torroja.dmt.upm.es/).

La turbulencia creada por el flujo de un fluidos cerca de una superficie a altos números de Reynolds se denomina turbulencia de pared. Su importancia es enorme en muchas aplicaciones (por ejemplo, da cuenta del 50% de la resistencia aerodinámica del ala de un avión), pero su cálculo es difícil porque se concentra en una capa muy delgada cercana a la pared. En esta capa está la región donde los efectos de los mecanismos de transporte molecular, tales como la viscosidad, se oponen al transporte de momento, calor y/o masa entre la pared y el fluido. Las simulaciones numéricas de la turbulencia de pared (como las de Sergio Hoyas y Javier Jiménez) requieren supercomputadores (como Mare Nostrum). Para el diseño industrial de muchos sistemas se requiere el uso de un modelo simple que modele las propiedades promedio de la capa turbulenta de pared. Marusic et al. presentan hoy en Science un modelo no lineal sencillo que da cuenta de estas propiedades y que puede ser incorporado fácilmente a los simuladores de física de fluidos actuales con un coste muy bajo. El modelo considera solo las componentes de la velocidad paralelas a la superficie y tiene dos parámetros cuyos valores se pueden obtener empíricamente (gracias a las simulaciones en supercomputadores). Sorprende que un modelo de capa límite tan sencillo sea capaz de predecir las propiedades globales del movimiento turbulento cerca de la pared. Nos lo cuenta Ronald J. Adrian, “Closing In on Models of Wall Turbulence,” Perspectives, Science 329: 155-156, 9 July 2010, haciéndose eco del artículo técnico de I. Marusic, R. Mathis, N. Hutchins, “Predictive Model for Wall-Bounded Turbulent Flow,” Science 329: 193-1969, July 2010.

Un fluido viscoso cerca de una pared ha de cambiar su velocidad hasta que justo en la pared sea idéntica a la de esta. Esta variación tan rápida induce esfuerzos tangenciales en la superficie que conduce a grandes pérdidas de energía (de gran importancia en las aplicaciones prácticas). Se estima que el 50% del consumo de combustible de un avión durante su vuelo se gasta en superar la tracción debida a las capas límites turbulentas de pared en su fuselaje. Números similares se observan en el movimiento de grandes barcos y submarinos. La turbulencia de pared también es importante en la física de la atmósfera con importantes consecuencias meteorológicas y climatológicas.

Uno de los grandes desafíos de la física de fluidos actual es comprender y predecir el comportamiento de la turbulencia de pared. Gracias a las simulaciones en supercomputadores se ha descubierto que las capas límite turbulentas poseen ciertas características recurrentes (patrones coherentes ) muy difíciles de observar mediante técnicas experimentales. Estas simulaciones son complicadas porque requieren resolver escalas muy grandes y muy pequeñas simultáneamente. Para el fuselaje de un avión las escalas van de cientos de metros a menos de un milímetro. En general , las capas límite turbulentas se caracterizanpor un número adimensional denominado número de Reynolds(Re), que es esencialmente el cociente entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas. Incluso en los mayores supercomputadores solo se pueden resolver numéricos flujos a números de Re muchos órdenes de magnitud por debajo de los observados en problemas prácticos. Números del orden de mil en las simulaciones que hay que comparar con valores de hasta cien mil en las aplicaciones.

Estudios recientes a  altos de Re han mostrado que en la turbulencia de pared se mezclan movimientos de muy gran escala (VLSM, llamados “superestructuras”) y movimientos a escalas muy bajas. Los primeros se superponen y modulan el comportamiento de los segundos. El nuevo modelo matemático se basa en acoplar ambos tipos de movimientos de forma que permite una predicción estadística de las fluctuaciones de la velocidad en la región cercana a la pared. Sin entrar en detalles matemáticos, el nuevo modelo ofrece una expresión algebraica sencilla que utiliza únicamente la información a gran escala del campo de velocidades en la región exterior a la capa turbulenta y permite determinar el comportamiento promedio del fluido en un escala logarítmica asociada a la propia capa turbulente. La comparación entre resultados experimentales en túneles de viento a altos números de Reynolds indican que el modelo tiene un poder predictivo más allá de lo que se podría esperar debido a su simplicidad, de ahí que se haya publicado en la prestigiosa revista Science.