Las bolas de Stokes (las bolas de Newton con aceite lubricante)

Las bolas de Newton es un juego de mesa muy popular que consiste en una hilera de esferas metálicas suspendidas cual péndulos que pueden chocar entre ellas. Cuando una de las esferas de los extremos es lanzada contra las otras, las golpea transfiriendo momento lineal y produciendo un movimiento oscilatorio rítmico casi hipnótico. ¿Qué pasa con las bolas de Newton cuando se bañan con aceite? Christine Hrenya y sus colegas en la Universidad de Colorado, Boulder, EEUU, han estudiado tres bolas de Stokes, tres bolas de Newton bañadas de aceite. Una mera anécdota sino fuera porque han logrado un artículo publicado en la prestigiosa revista Physical Review Letters, un reseña en Nature y un comentario en este blog. El aceite crea puentes líquidos entre las bolas que dificultan la transferencia de impulso entre ellas durante los choques mutuos. Realmente curioso. Sobre todo porque cuando ojeé el título del artículo en ArXiv no me llamó la atención y ahora como noticia en Nature parece hasta interesante. ¿Cómo cambia el punto de vista de una noticia en función de quien te la cuente? Los interesados en más detalles pueden leer el artículo C.M. Donahue, C.M. Hrenya, R.H. Davis, “Stokes’ Cradle: Newton’s Cradle with Liquid Coating,” ArXiv, Submitted on 10 Jun 2010. La versión que se ha publicado en Physical Review Letters 105: 034501, 13 July 2010, es algo más corta. La noticia ha aparecido en Nature como “Sticky balls,” Nature 466: 417, 22 July 2010. La verdad es que a esta noticia lo único que le falta es un vídeo de youtube ilustrando los experimentos realizados. ¿Quién grabará el primer vídeo de youtube con las bolas de Stokes en acción? ¿Quién descubrirá los trucos que nos hipnotizarán a todos? ¡Ánimo, atrévete!

La deconstrucción dimensional del universo a alta energía y su estudio experimental en CMS del LHC en el CERN

La imaginación de los físicos teóricos no tiene límite. No cejan de proponer nuevas ideas cada día más exóticas para búsquedas de nueva física en el LHC . Parece que no comprenden que el LHC del CERN tiene muchas tareas pendientes (el bosón de Higgs, la supersimetría, nuevas generaciones de partículas, dimensiones extra, etc.). Greg Landsberg (Universidad de Brown, EEUU) ha propuesto una nueva teoría que afirma que el número de dimensiones en el universo aumenta a medida que se expande desde la gran explosión. Él y sus colegas proponen que el universo comenzó con solo una dimensión espacial y una dimensión temporal (universo 1+1). “El universo nació como un hilo unidimensional que tejió un tapiz en dos dimensiones a medida que crecía; este tapiz se enrolló sobre sí mismo para crear un universo de tres dimensiones como el que conocemos; ahora mismo se está enrollando en cuatro dimensiones por lo que se observa una aceleración de la expansión cósmica del universo; la energía oscura es el eco de la cuarta dimensión del espacio.” La idea, que parece muy exótica para ser correcta, resuelve de un plumazo varios problemas del modelo estándar. Lo curioso es que el portavoz de la colaboración CMS del LHC en el CERN, Albert de Roeck, ha dicho que CMS ya tiene un equipo de físicos estudiando como confirmar o refutar las teorías de Landsberg. “El modelo de Landsberg es muy especulativo, pero nadie puede descartarlo a priori y hay ciertos datos sobre rayos cósmicos que explica mejor que las teorías actuales; vamos a dedicar tiempo de análisis en el LHC a confirmarlo o refutarlo.” Curioso. Nos lo han contado en Zeeya Merali, “Collider gets yet more exotic ‘to-do’ list. The Large Hadron Collider could throw up evidence of new physics earlier than expected,” News, Nature 466: 426, Published online 20 July 2010 [también en Scientific American]. Traducción de Kanijo, “El colisionador logra una lista de cosas por hacer aún más exótica,” Ciencia Kanija, 21 julio 2010 [ya meneada].

El modelo estándar de las partículas elementales permite comprender el universo desde una dimensión de 10-18 a 1024 metros (el primer valor corresponde a una energía de 1 TeV y el segundo a la escala asociada a la isotropía cósmica del universo). El modelo estándar es una teoría incompleta, contiene en su interior a su asesino ya que presenta divergencias a distancias muy cortas o energías muy altas que no se pueden evitar. Un truco matemático para resolver estas divergencias es una regularización dimensional (la técnica matemática que se utilizó para demostrar que la teoría electrodébil con ruptura de la simetría mediada por el mecanismo de Higgs es una teoría renomarlizable). Si el espacio tiempo tuviera 2 dimensiones espaciales estos divergencias se aliviarían y, más aún, si tuviera solo una dimensión espacial se resolverían fácilmente. El modelo estándar sería válido a todas las distancias y a todas las energías posibles y podría incorporar la gravedad sin ninguna dificultad (la gravedad cuántica funciona muy bien en 1+1 dimensiones, de forma razonable en 2+1 y es casi imposible en 3+1). Pura matemática dirás. Quizás sí o quizás no. Landsberg y sus colegas proponen que el universo surgió tras la gran explosión como un espaciotiempo 1+1 con el modelo estándar  como teoría correcta a todas las energías, incorporando la versión cuántica trivial de la gravedad de Einstein (en un espaciotiempo de 1+1 dimensiones tanto el modelo estándar como la gravedad funcionan de maravilla como teorías cuánticas de la realidad). Conforme el espaciotiempo se expandió (expansión cósmica) fueron surgiendo de forma dinámica nuevas dimensiones espaciales. Actualmente la así llamada “energía oscura” que explica la aceleración actual de la expansión cósmica es un resultado de la emergencia de un espaciotiempo 4+1 dimensional a partir de nuestro espaciotiempo 3+1 dimensional. Los interesados en más detalles técnicos (breves pero curiosos) pueden recurrir al artículo técnico de Luis Anchordoqui, De Chang Dai, Malcolm Fairbairn, Greg Landsberg, Dejan Stojkovic, “Vanishing Dimensions and Planar Events at the LHC,” ArXiv, Submitted on 30 Mar 2010, que proponen que la dimensión del espacio depende de la escala considerada (a distancias más cortas la dimensión es más baja).

Este tipo de ideas tan radicales suelen pasar por los medios sin mucha atención. Salvo excepciones y esta parece que lo es. Lo más curioso es que Landsberg y sus colegas creen que el LHC será capaz de observar efectos asociados a su modelo del universo, ya que a alta energía se recrean condiciones similares a los primeros instantes de la gran explosión, es decir, se deconstruyen las dimensiones espaciales. Él y sus colegas creen que el LHC será capaz de observar colisiones de partículas en un espaciotiempo de dos dimensiones espaciales lo que verificaría su teoría. Más aún, creen que ciertos resultados “peculiares” observados en los rayos cósmicos tienen una explicación en su teoría. Habrá que estar al tanto de estas ideas en un futuro cercano.

PS (24 julio 2010): Greg Landsberg, “Vanishing Dimensions and Planar Events at the LHC,” ICHEP 2010, París, 24 July 2010.

La incertidumbre teórica en los límites de exclusión de masa para el bosón de Higgs

En mi opinión el resultado más interesante sobre el bosón de Higgs que nos contarán mañana jueves 22 de julio en el congreso ICHEP 2010 vendrá de la mano del físico teórico francés Julien Baglio (Univ. Orsay). Mirad esta figura que presenta el límite actual de exclusión para el bosón de Higgs del modelo estándar obtenido combinando los dos experimentos del Tevatrón (CDF y DZero). El bosón de Higgs no tiene una masa entre 162 y 166 GeV/c², porque se excluye un valor de la masa cuando el valor observado (línea negra gruesa) está por debajo del valor teórico según el modelo estándar, normalizado a la unidad (línea negra que pone SM=1). Fijaos en una cosa. Los datos experimentales tienen una banda de error, la verde a 1 sigma y la amarilla a 2 sigma. Sin embargo, el resultado teórico (obtenido por simulaciones de Montecarlo), la línea negra que pone SM=1, no tiene error. Fijaos bien, ¿por qué el resultado teórico no tiene error si se ha obtenido mediante experimentos por ordenador? Los físicos de CDF y DZero no lo han puesto en la figura, quizás para no complicarla. Eso no significa que hayan asumido que el cálculo teórico es muy fiable, según su artículo original suponen que el error teórico es del orden del 10%. Sin embargo, Julien Baglio y Abdelhak Djouadi han estimado las incertidumbres para este resultado teórico y han obtenido la banda de error (aproximada) para el resultado teórico que aparece en el recuadro naranja. Es una banda de error enorme, con errores que alcanzan el 40%. ¿Por qué los errores teóricos son tan altos? Porque los quarks y los gluones de los protones y antiprotones que colisionan en el Tevatrón no pueden ser observados, están confinados y hay que utilizar distribuciones estadísticas para sus propiedades físicas (las llamadas distribuciones de partones). Estas distribuciones se calculan mediante los experimentos de diferentes formas indirectas y se obtienen valores diferentes según el método utilizado. Baglio y Djouadi han calculado la incertidumbre actual en dichas distribuciones y como dicha incertidumbre afecta a las estimaciones teóricas de los canales de desintegración del bosón de Higgs del modelo estándar y su resultado ha sido sorprendente. Los errores son tan altos que es muy difícil afirmar con seguridad que el bosón de Higgs no tiene una masa en el intervalo de 162 a 166 GeV/c². Podría tenerla o no, porque la incertidumbre es muy alta (en especial en la producción del Higgs por fusión de gluones, proceso gg→H, que se ve en la figura de abajo). Para mí este es el resultado más interesante sobre el bosón de Higgs que será contado mañana jueves 22 en el ICHEP 2010. Julien Baglio nos contará en directo en su charla “Higgs production at the Tevatron: theoretical predictions and uncertainties” los resultados de su artículo con A. Djouadi, “Predictions for Higgs production at the Tevatron and the associated uncertainties,” ArXiv, 22 Mar 2010.

Incertidumbre del valor teórico para el canal gg→H en el modelo estándar según CDF+DZero (banda azul) y el nuevo trabajo de Baglio-Djouadi (banda roja).

Por otro lado, me gustaría recordar que el resultado más interesante que nos contarán en el congreso ICHEP 2010 sobre el bosón de Higgs será el nuevo límite de exclusión del Tevatrón para su masa que se obtendrá combinando los resultados de los experimentos CDF (unos 5’6/fb de datos, depende del canal) y DZero (unos 6’8/fb). El límite actual de exclusión combinado, como ya hemos dicho, es el intervalo de 162 a 166 GeV/c². Se espera que el nuevo límite sea el intervalo de 159 a 168 GeV/c². Este intervalo es una extrapolación teórica “a ojo” ya que yo no soy adivino y en el Tevatrón lo ocultan a capa y espada. Sabremos cual es el límite obtenido el próximo lunes 26 de julio. No se esperan más sorpresas desde el punto de vista experimental (ni por parte de DZero ni por parte de CDF), salvo cierta evidencia del orden de 2 sigma en canales de desintegración de bosones de Higgs supersimétricos. Estos canales han sido poco estudiados (solo 4’3/fb de datos) por lo que casi seguro que esta evidencia nimia será una fluctuación estadística, pero quien sabe. Los interesados en todos los nuevos resultados de DZero sobre el Higgs los pueden encontrar aquí y la evidencia a 2 sigma de un Higgs supersimétrico la podéis encontrar en “Search for neutral Higgs bosons at high tan beta in the final state tau_mu tau_h b with 4.3 fb-1 of data,” como nos comentó Tommaso Dorigo en su blog, a donde remito a los interesados en más detalles divulgativos.

Las presentaciones de las charlas del ICHEP 2010 (la mayoría en pdf, pero algunas en ppt) las podréis encontrar en la web Indico del CERN. Ahora mismo se encuentran colgadas solamente un 20%, más o menos, dentro de una semana estarán todas. Las he estado ojeando y alguna sobre neutrinos es interesante, pero la mayoría, en mi opinión, tiene poco interés. Lo más interesante de congresos como ICHEP 2010 son las “charlas” a pie de café en los coffee breaks y las charlas plenarias (que serán retransmitidas vía video streaming, espero que mis ocupaciones me dejen ver alguna). La pregunta del millón ahora mismo es la siguiente: ¿se publicará en la charla plenaria sobre los nuevos resultados del LHC una foto de un evento candidato a ser el primer par de quarks top-antitop visto en Europa? Con 150/nb ya tiene que haber sido observado este evento (en ATLAS o en CMS o incluso en ambos) y con la prisa que se están dando en el análisis de los datos es muy razonable que así sea. Pero quien sabe. La estadística tiene estas cosas. Un suceso probable puede darse o no darse. Saldremos de dudas el lunes próximo.