La resonancia estocástica en acción: Una molécula de hidrógeno controlando un oscilador micromecánico

La resonancia estocástica es un fenómeno muy curioso descubierto en 1981. Un oscilador forzado por una señal periódica y acoplado a una fuente de ruido se pone a oscilar al ritmo del ruido (si forzamiento y ruido se ajustan de forma adecuada). La resonancia estocástica actúa como un proceso de amplificación de la transferencia de energía entre un sistema “pequeño” ruidoso y un sistema “grande” oscilatorio (que recibe energía externa del forzamiento). Una cuestión interesante es cuán pequeño puede ser “pequeño” y cuán grande puede ser “grande.” José Ignacio Pascual (CIC nanoGUNE / Ikerbasque / Freie Univ. Berlin) y varios colegas demuestran en Science que el fenómeno puede ocurrir para algo tan pequeño como una molécula de hidrógeno (H2) y algo tan grande como un oscilador micromecánico de varios miligramos de peso. La molécula de hidrógeno se encuentra sobre una superficie de cobre Cu(111) y el oscilador es la punta metálica de un microscopio de fuerza atómica a muy baja temperatura (5 K) y condiciones de ultravacío. El estado de la molécula hidrógeno fluctúa de forma aleatoria gracias al salto por efecto túnel de electrones entre sus niveles atómicos. Este desplazamiento de electrones de decenas de picómetros, con energías de decenas de milielectronvoltios, ejerce una fuerza de cientos de piconewtons en la punta metálica. Lo sorprendente es que la punta, gracias a la “magia” de la resonancia estocástica, se pone a oscilar al ritmo de las transiciones electrónicas de la molécula de hidrógeno. En cierto sentido, la molécula de hidrógeno actúa como un conmutador molecular que activa y desactiva la oscilación de la punta metálica. Un símil en peso sería como una persona que pegara saltos aleatorios y a cuyo ritmo se pusiera a oscilar todo el monte Everest. El artículo técnico es Christian Lotze, Martina Corso, Katharina J. Franke, Felix von Oppen, Jose Ignacio Pascual, “Driving a Macroscopic Oscillator with the Stochastic Motion of a Hydrogen Molecule,” Science 338: 779-782, 9 November 2012. Más información en CIC Nagune, traducido en Tendencias21.net, y en “Ruido estadístico y movimiento ordenado,” IyC nov. 2012.

Un punto clave que hay que destacar es que la molécula de hidrógeno controla el movimiento, actuando como un interruptor de encendido/apagado, pero no realiza el trabajo mecánico que resulta en las oscilaciones de la punta metálica del microscopio (cuyo movimiento recibe energía de forma independiente). En cierto sentido es como un transistor que actúa como conmutador. Por tanto, no se viola ningún principio de la termodinámica. Alguien podría pensar en acoplar un baño térmico a la molécula de hidrógeno para lograr la extracción de energía (molecular) gratis de las oscilaciones de la balanza, pero un análisis matemático cuidadoso muestra que el interruptor molecular demostrado por Pascual y sus colegas no viola el segundo principio de la termodinámica (la entropía siempre crece) y si se extrae de alguna forma trabajo de la molécula de hidrógeno, necesariamente debe ser aportado por una fuente exterior (el baño térmico).

Hay muchas aplicaciones de la resonancia estocástica en sistemas que procesan información en los que cierto nivel de ruido ayuda a discriminar la señal respecto a dicho ruido, tanto en biología, climatología, química, física, ingeniería, etc. Ver por ejemplo “Una lógica a la que no le molesta el ruido,” IyC, abr. 2010, “Las virtudes del ruido de fondo,” IyC, oct. 1995, o “Ruido vital,” Encuentros, UMA.

Por qué un muón es una partícula inestable que se desintegra en un electrón

Un muón es un leptón cargado como el electrón, pero tiene una masa 206,77 veces mayor. El electrón es estable (hasta donde sabemos), pero el muón es inestable y se desintegra (en reposo) en un electrón en solo 2,2 μs (microsegundos). ¿Por qué el muón es inestable y el electrón es estable? La razón es sencilla, el proceso cuántico de desintegración de un muón en un electrón es irreversible. Permíteme explicarlo con un poco más de detalle, pero antes quiero recordarte que los muones producidos en los rayos cósmicos permiten verificar la ley relativista de la dilatación del tiempo (el famoso experimento de Rossi-Hall de 1940), pues al moverse a velocidades ultrarrelativistas (próximas a la de la luz) su vida media crece como indica la teoría de la relatividad de Einstein, pues su tiempo propio (en el sistema de referencia en el que el muón está en reposo). La idea de esta entrada nació de la lectura de Tommaso Dorigo, “What Makes Particles Unstable?,” AQDS, Nov 9th, 2012.

El muón es la partícula asociada a las excitaciones del campo muónico. Este campo cuántico es de tipo fermiónico, es decir, tiene cuatro grados de libertad; dos grados de libertad se excitan dando lugar al muón y los otros dos grados de libertad al antimuón (su antipartícula). Los dos grados de libertad del campo asociados al muón corresponden a sus los estados quirales del campo, el muón levógiro y el muón dextrógiro, que están mezclados gracias al campo de Higgs como corresponde a que el muón sea una partícula con masa; lo mismo ocurre con el antimuón que es mezcla del antimuón dextrógiro y del antimuón levógiro. El muón es un partícula con carga eléctrica negativa (-1) y con hipercarga débil negativa (-1 para el muón levógiro y -2 para el muón dextrógiro), por tanto es capaz de interaccionar con el campo electrodébil, es decir, con el fotón (campo electromagnético) y con los bosones débiles W y Z (campo débil). Siendo un leptón, el muón no puede interaccionar con los gluones (campo cromodinámico), pues no tiene carga de color.

La excitación del campo muónico que corresponde a un muón excita el campo electrodébil, produciendo las partículas virtuales de dicho campo (fotones y bosones débiles virtuales). Desde el punto de vista de los diagramas de Feynman, el muón emite y reabsorbe de forma constante fotones y bosones débiles. El principio de incertidumbre de Heisenberg para la energía y la duración involucrada en un proceso cuántico obliga a que todo esto ocurra en un intervalo de tiempo muy breve de tal manera que el bosón virtual no sea observable. Cuando un muón emite un bosón W virtual también emite un neutrino muónico virtual, que un poco más tarde se recombinan para dejar el muón inalterado; o lo que es lo mismo, la excitación tipo muón del campo muónico excita los campos del bosón W y del neutrino muónico, pero sin que dichas excitaciones del lugar a partículas de dichos campos. También puede ocurrir que el bosón W virtual se desintegre en un muón y un antineutrino muónico; este último se aniquila con el neutrino muónico y como resultado se recupera un muón con la misma energía y momento que el original. En estos procesos (y muchos otros que podemos imaginar utilizando diagramas de Feynman con un mayor número de bucles cerrados), el muón no cambia su naturaleza y propiedades.

Sin embargo, a veces el bosón W puede excitar el campo electrónico y el del antineutrino electrónico, es decir, el bosón W virtual puede producir un electrón y un antineutrino electrónico virtuales. En dicho caso tenemos tres partículas virtuales, el neutrino muónico, el antineutrino electrónico y el electrón. Las leyes de la física impiden que estas tres partículas se recombinan para dar un lugar a un muón, salvo que los dos últimas se recombinen para dar un W, en cuyo caso ocurre lo descrito en el párrafo anterior (recuerda que un neutrino muónico y un antineutrino electrónico no se puden aniquilar, la única posibilidad es que el antineutrino electrónico oscile a un antineutrino muónico algo que tiene una probabilidad muy baja y requiere recorrer una distancia muy larga). Por tanto, hay una probabilidad no nula de que este proceso sea irreversible, es decir, que transcurrido el tiempo permitido por el principio de incertidumbre de Heisenbreg, las tres partículas virtuales (excitaciones de los correspondientes campos que violan la relación de Einstein, E²≠(mc²)²+(pc)²) se transformen en partículas “reales” (que cumplen la relación de Einstein E²=(mc²)²+(pc)²). Ese proceso corresponde a que un muón se desintegre en un electrón, un antineutrino electrónico y un neutrino muónico.

Por qué la desintegración de un muón en un electrón es un proceso irreversible y un electrón no puede “transformarse” en un muón. Lo impide la ley de conservación de la energía y el momento. Un electrón en reposo (o a baja velocidad) tiene una masa 207 veces más pequeña que la del muón, por lo que no tiene energía suficiente para producir un muón. La única posibilidad para que un electrón produzca un muón es en el caso de un electrón ultrarrelativista, cuya energía sea mayor que la masa de un muón.

Por qué el electrón es una partícula (perfectamente) estable. Porque las leyes físicas no permiten que un electrón (en reposo) se desintegre en ninguna otra partícula de menor masa. Por supuesto, en física no se puede realizar ninguna afirmación con certeza absoluta, pues creemos que hay leyes físicas que aún desconocemos. Los límites experimentales actuales para la vida media del electrón indican que es mayor de 4,6 × 1026 años (para la posible desintegración de un electrón en un neutrino electrónico y un fotón, que obviamente violaría la ley de conservación de la carga eléctrica; esta ley se podría salvar si existiera una tercera partícula de carga negativa aún no descubierta).

Nuevo resultado de LHCb sobre la desintegración Bs→μμ

Un mesón Bs está formado por un quark extraño (s) y un antiquark belleza o fondo (b), tiene una masa en reposo de 5.366,3 ± 0,6 GeV/c² y una vida media de solo 1,47 ps (billonésimas de segundo). La desintegración del mesón Bs en un par muón-antimuón es muy rara (poco probable); según el modelo estándar ocurre con probabilidad (3,54 ± 0,30) × 10-9. Muchos modelos de física más allá del modelo estándar (como la supersimetría) predicen un incremento o un decremento en esta probabilidad. El experimento LHCb publica hoy la mejor medida de este valor, (3,2  ± 1,5) × 10-9, en completo acuerdo con el modelo estándar, aunque solo ha alcanzado 3,5 sigmas o desviaciones estándares. Este resultado se ha obtenido tras combinar 1,0 /fb de colisiones a 7 TeV c.m. de 2011 y 1,1 /fb de colisiones a 8 TeV c.m. de 2012 (solo con estas últimas se obtienen 3,3 sigmas). Por tanto, una de las grandes noticias en física de partículas de 2013, tras analizar todas las colisiones de 2012, será alcanzar las 5 sigmas en la desintegración Bs→μμ. Este nuevo resultado de LHCb es importante porque en el verano de 2011 (EPS-HEP11) se publicó que CDF (Tevatrón) había observado un valor 5,6 veces mayor que la predicción del modelo estándar (que hizo soñar a unos pocos con la primera prueba de la supersimetría); sin embargo, ya entonces LHCb refutaba este resultado descartando un valor mayor de 3,7 veces la predicción del modelo estándar. Podemos afirmar con seguridad que el nuevo resultado publicado hoy mismo refuta de forma definitiva la desviación observada por CDF. El nuevo resultado lo ha presentado Johannes Albrecht (LHCb Collab.), “New results on the search for B(s)->mu+mu- from LHCb,” HCP2012, Kyoto, 12 Nov 2012. El artículo técnico con los detalles aparecerá en ArXiv mañana (LHCb collaboration,” First evidence of the Bs → µ+µ− decay,” LHCb-PAPER-2012-043, arXiv:1211.2674, Nov 12, 2012, submitted to arXiv & PRL). Mucha gente se ha hecho eco de este gran resultado en twitter y en blogs, como Matt Strassler, “First News from Kyoto Conference,” Of Particular Significance, Nov. 12, 2012.

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Francis en el Journal of Feelsynapsis #7: “Mitos del bosón de Higgs”

En el último número del Journal of Feelsynapsis, #7 de noviembre de 2012 [PDF LQ 14,1 MB; PDF HQ 69,9 MB], aparece mi nuevo artículo “Mitos del bosón de Higgs,” páginas 90 a 97. Espero que te guste… permíteme abrir boca con los tres primeros párrafos.

“El año 2012 pasará a los anales de la historia de la física por el descubrimiento del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, cerca de Ginebra. La única partícula predicha por la teoría del modelo estándar de las partículas elementales que aún faltaba por encontrar permitirá estudiar el campo de Higgs, responsable de que haya partículas con masa, y las propiedades del universo cuando solo tenía una billonésima de segundo tras la gran explosión (el big bang). Además, muchos físicos creemos que la física del campo de Higgs podría ser una puerta hacia el descubrimiento de nuevas leyes físicas más allá del modelo estándar.

La noticia ha copado todos los medios, pero muy pocos han ofrecido una explicación satisfactoria. Las partículas que tienen masa la adquieren por interacción con el campo de Higgs, no con el bosón de Higgs, que es la excitación de tipo partí-cula de este campo. El vacío del campo de Higgs no está plagado de bosones de Higgs, sino de bosones de Higgs virtuales, que no son partículas, y que de hecho se definen así: como las excitaciones del campo que no son partículas. El vacío del campo de Higgs no es como una piscina de agua que se extiende por todo el universo, ni las partículas son como peces que avanzan a su través arrastrando el agua a su paso. Este vacío es tan “vacío” como pueda serlo el del campo electromagnético o el del campo del electrón.

Alrededor de la partícula de Higgs se han generado un gran número de mitos y malentendidos. Muchos físicos evitan ideas matemáticas y conceptos abstractos cayendo en analogías inadecuadas que en lugar de ayudar al profano solo le confunden más. En este artículo trataré de aclarar algunos de los mitos sobre el bosón de Higgs; no están todos, pero espero haber incluido los más comunes.”

Seguir leyendo en el último número del Journal of Feelsynapsis, #7 de noviembre de 2012 [PDF LQ 14,1 MBPDF HQ 69,9 MB; flash página a página].

Francis en ¡Eureka!: La sequía que puso fin a la civilización maya registrada en una estalagmita en Belice

“El fin de la civilización maya,” en la sección ¡Eureka! de La Rosa de los Vientos, Onda Cero. Si te apetece oír el podcast, sigue este enlace.

La cultura maya volverá a estar de moda el próximo mes porque se supone que se acerca el final de un ciclo del calendario Maya, el día 13.0.0.0.0 del calendario maya se asocia al 21 de diciembre de 2012, sin embargo, un cálculo más riguroso apunta a una fecha posterior. La fecha del 21 de diciembre se obtuvo a principios del siglo XX en el marco de la llamada cronología estándar GMT, por sus autores Goodman (1905),  Martínez (1926) y Thompson (1927), que analizaron un códice maya, el Códice de Dresde; los códices mayas son libros escritos con caracteres jeroglíficos antes de la llegada de Colón a América. El códice de Dresde (llamado así porque está guardado en esta ciudad alemana) explica el calendario maya e incluye un calendario de las conjunciones del planeta Venus. El análisis estadístico de las fechas de estas conjunciones permite ajustar el calendario maya al calendario actual. El análisis estadístico realizado a mano de este calendario dio como fecha final del primer ciclo el 21 de diciembre de 2012. Pero estudios arqueoastronómicos más modernos, realizados a finales del siglo XX utilizando ordenadores, como los realizados Andreas Fuls y Bryan Wells, apuntan a que la fecha del calendario maya 13.0.0.0.0 corresponde a una fecha aún lejana, entre el 21 y el 23 de diciembre del año 2220. Más información en este blog en “Cómo se calcula que el 21-12-2012 corresponde al día 13.0.0.0.0 del calendario Maya,” 3 nov. 2009.

Los libros de historia afirman que la civilización Maya tuvo su esplendor entre el año 300 y el 900 de nuestra era, pero que sufrió un declive muy rápido, hasta casi desaparecer mucho antes de la llegada de Colón. ¿Qué pudo pasar? Los historiadores no se ponen de acuerdo sobre las razones por las que una civilización tan avanzada como la Maya, que se desarrolló en las selvas tropicales de centroamérica, Guatemala, Belice, Mexico y Honduras entre los siglos IV a X de nuestra era, acabó desapareciendo mucho antes de la llegada de Colón. Algunos creen que la causa fue la superpoblación y la degradación de su sistema agrícola. Otros apuntan a guerras por el poder político. Pero la opinión más firme es que ocurrió un cambio en el clima, una gran sequía en la región que pudo jugar un papel determinante.

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