Francis en ¡Eureka!: Qué nos depara la ciencia en 2013

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El audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero, ya está disponible. Un anticipo de los avances más importantes en Física que se esperan para 2013. Disfruta del audio siguiendo este enlace. Como siempre, un resumen por escrito.

Al final de un año la costumbre es predecir cómo será el próximo. Seguro que en 2013 habrá muchas sorpresas en la ciencia. Predecir el futuro es imposible, pero hay algunos resultados científicos cuyo anuncio está planificado para el 2013. , Curiosity nos traerá noticias de Marte (quizás moléculas orgánicas y pruebas muy indirectas de vida pasada), los chinos pondrán una sonda no tripulada en la Luna, se publicarán los resultados sobre el lago Vostok bajo la Antártida (quizás haya pruebas de vida, por ahora no se han encontrado en los primeros análisis) y se descubrirán muchas otras cosas. Pero como soy físico mis predicciones van a estar sesgadas hacia la física, pido perdón a los interesados en otras ramas de la ciencia.

El Premio Nobel de Física podría ser para Peter Higgs y sus colegas por el famoso bosón de Higgs. Mi apuesta es que Peter Higgs recibirá el Nobel de Física el año próximo. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) a partir de abril será reparado (hay una serie de soldaduras defectuosas en los imanes superconductores) y estará parado por lo menos hasta finales de 2014. Por ello en 2013 y 2014 será posible visitar los experimentos del LHC en el CERN, bajando en un ascensor a 100 metros de profundidad. Una oportunidad única para quienes vayan a visitar Ginebra el próximo año, no se lo pueden perder. Los análisis de todos los datos de 2012 se publicarán durante 2013 en diferentes conferencias. Habrá nuevos datos en marzo, en los Encuentros de Moriond, en los alpes italianos (2-16 marzo), y más tarde en verano en una conferencia en Estocolmo (EPS-HEP) entre el 18 y 24 de julio. A finales de 2013 conoceremos mejor las propiedades del bosón de Higgs descubierto este año; por ejemplo, sabremos si tiene espín cero con unas 4 sigmas (no serán 5 sigmas, pero casi), gracias a la combinación de los resultados de los dos grandes detectores del LHC.

El anuncio en Moriond podría ser en EW-UT entre 2 y 9 de marzo, y QCD-HEP entre 9 y 16 de marzo; lo normal es que se presenten los nuevos datos en EW, pero también podrían aparecer en QCD (para que haya más tiempo para los análisis); todavía no están publicados los programas científicos; yo no pondría fecha concreta, o diría entre 2 y 16 de marzo, o a principios de marzo. EPS-HEP será entre 18-24 de julio en Estocolmo; yo apuesto a que en esta conferencia se presentarán los resultados más importantes de este verano, pero todavía no hay programa oficial; también habrá datos relevantes un poco antes en LP (Lepton Photon) será entre 24-29 de junio en el SLAC, California, pues a los americanos no les gusta quedarse fuera; por supuesto, también hay otras conferencias.

El satélite Planck de la ESA también presentará datos el próximo año, qué podemos esperar. El satélite Planck ha tomado datos de la radiación de fondo cósmico de microondas durante tres años y nos permite medir esta radiación con una precisión sin precedentes. Un año de Planck equivale a unos 100 años de WMAP. Planck aportará mucha información sobre la energía oscura y podría ser decisivo para confirmar que se trata de la constante cosmológica de Einstein, o en su defecto de otra cosa llamada quintaesencia. Sabremos cuántas familias de neutrinos hay en el universo (conocemos tres, pero podría haber una cuarta, importante para explicar parte de la materia oscura del universo). Habrá pruebas indirectas de la inflación cósmica, y del fondo cósmico de neutrinos (cuando el universo tenía unos 2 segundos tras el big bang y materia y antimateria se aniquilaron quedando un resto de materia). Hay una conferencia a finales de enero en Madrid, 28-31, pero el anuncio oficial de los primeros datos de Planck sobre el fondo cósmico de microondas se realizará en la conferencia ESLAB, entre 2-5 de abril, Noordwijk, Holanda.

Se esperan nuevos resultados sobre la materia oscura en el universo. El Espectrómetro Magnético Alfa,  AMS-02, que está instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS), lanzado en mayo de 2011, acumulará dos años de observaciones de los rayos cósmicos y podría obtener pruebas de la materia oscura. Tras su primer año en julio de 2012 recopiló unos 18 billones de rayos cósmicos, pero aún no se ha publicado nada. Samuel Ting (Premio Nobel y jefe de la misión) quiere retrasar la publicación de los primeros datos todo lo posible, pero miembros del equipo anunciaron los primeros resultados con datos del primer año ahora en diciembre, así que con toda seguridad será uno de los experimentos estrella de 2013. Habrá que estar muy atentos a su posible confirmación o refutación de la anomalía DAMA/LIBRA que apunta al origen de la materia oscura.

Qué se espera en cuanto a los detectores de neutrinos. Hay varios detectores de neutrinos que nos ofrecerán nuevos datos (como MicroBooNE en el Fermilab, cerca de Chicago), pero quizás destaca Ice Cube, en el polo sur, que está estudiando los neutrinos de ultra alta energía (UHE). Este año se anunciaron resultados preliminares, pero no ha habido ningún anuncio definitivo. La existencia de neutrinos de ultra-alta energía (UHE) será confirmada en 2013 de forma oficial. Estos neutrinos nos hablan de los fenómenos más violentos del universo y nos permiten explorar las escalas de energía más altas  que podemos explorar en la actualidad. De hecho, hay teóricos de cuerdas y gravedad cuántica que dicen que las primeras pruebas de estas teorías tan exóticas serán obtenidas gracias a los neutrinos UHE. Habrá que estar al tanto de los resultados de IceCube.

Otras noticias de física que crees que podría anunciarse en 2013. En el año 2010 se anunció la primera observación de la radiación de Hawking en un agujero negro simulado en una fibra óptica, sin embargo, ha habido muchas dudas y la opinión general es que la observación fue mal interpretada. Los autores han propuesto una curiosa idea, un láser de agujeros negros, con la que en 2013 pretenden realizar la observación definitiva. Varios grupos están tratando de llevar a cabo su idea. Si se confirma, podrían poner a Stephen Hawking en la recta final hacia el Nobel para 2014.

El año 2013 será un año apasionante para la ciencia sin lugar a dudas.

Lo dicho, si quieres escuchar el audio solo tienes que seguir este enlace. ¡Feliz entrada de año y qué lo disfrutes!

Nota dominical: Ettore Majorana, el Nikola Tesla de la física teórica

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Hay personajes de los que no puedo hablar en este blog sin recibir un gran número de críticas. Mucha gente me regaña cuando hablo de Nikola Tesla (1856-1943). ¡Cómo te atreves a proferir su nombre en vano! La unidad de campo magnético en el Sistema Internacional de Unidades (SI) recibió su nombre en 1960, relegando a Gauss al obsoleto Sistema Cegesimal de Unidades o CGS (1 tesla son 10.000 gauss) y olvidando a Maxwell por el camino, 1 gauss es 1 maxwell/cm². Gran parte de su mito se creó el mismo año de su deceso, en enero de 1943, en plena II Guerra Mundial, cuando la Corte Suprema de EEUU le acreditó en abril como inventor de la radio. No me preguntes el porqué, pero hay personajes que se convierten en mitos y son comparados con los grandes genios de la historia, aunque sus contribuciones científicas no sean comparables.

Ettore Majorana (1906-¿1938?) solo publicó 10 artículos científicos, el último de ellos póstumo. Sin embargo, muchos lo comparan con Newton, con Galileo y con los grandes genios del siglo XX. Durante su vida muy pocos se dieron cuenta de su genio, salvo quizás Enrico Fermi (1901-1954), Premio Nobel de Física en 1938 por su teoría de la interacción débil, quien le dirigió la tesis de grado en 1929, y Emilio G. Segré (1905-1989), Premio Nobel de Física en 1959 por el descubrimiento del antiprotón, que fue su profesor en 1928. ¿Por qué Majorana es un mito y está considerado uno de los físicos más importantes e influyentes del siglo XX? Hay un tipo de fermiones que recibe su nombre, los fermiones de Majorana, en pie de igualdad con los fermiones de Dirac. Obviamente, solo un gran genio puede poner su nombre al lado de los de Fermi y Dirac. ¿Realmente Majorana fue uno de los padres de la física del siglo XX?

Lo más asombroso que hizo en su vida Majorana fue “desaparecer” sin dejar rastro en 1938. Genios de su talla en el siglo XX hubo muchísimos, no solo italianos, también españoles. Pero hay gente que nace con estrella y gente que nace estrellada. La fama de Majorana nació la primera vez que conoció a Fermi, quien estaba estudiando un ecuación diferencial no lineal que aparecía en lo que ahora llamamos método de Thomas-Fermi; Fermi calculó la solución de forma numérica tras una semana de intenso trabajo y mostró el resultado a Majorana. Ni corto, ni perezoso, Majorana resolvió la ecuación de forma analítica esa misma noche y le mostró el resultado a Fermi a la mañana siguiente. Fermi quedó muy asombrado. De hecho, aún se conservan las páginas manuscritas originales de aquella noche “mágica” (Erasmo Recami, Salvatore Esposito, “The scientific manuscripts left unpublished by Ettore Majorana (with outlines of his life and work),” arXiv:0709.1183, Sep. 2007).

Majorana empezó a estudiar Ingeniería, pero cambió a Física por recomendación de Fermi. Mientras era estudiante publicó su primer artículo científico (“Sullo sdoppiamento dei termini Roentgen ottici a causa dell’elettrone rotante e sulla intensità delle righe del Cesio,” en colaboración con su amigo Giovanni Gentile Jr., publicado en Rendiconti Accademia Lincei 8: 229-233, 1928); parte de dicho trabajo lo presentó el 6 de julio de 1929 cuando defendió su trabajo fin de graduación en Física. En 1931 publicó cuatro artículos, dos sobre el enlace químico (“Sulla formazione dello ione molecolare di He,” Nuovo Cimento 8: 22-28, 1931; “Reazione pseudopolare fra atomi di Idrogeno,” Rendiconti Accademia Lincei 13: 58-61, 1931) y otros dos sobre espectroscopia (“I presunti termini anomali dell’Elio,” Nuovo Cimento 8: 78-83, 1931; “Teoria dei tripletti P’ incompleti,” Nuovo Cimento 8: 107-113, 1931). Estos trabajos teóricos demostraban un buen dominio del trabajo experimental, muy en la línea de la tradición de Fermi, combinar teoría y experimento.

Los trabajos más importantes de Majorana se publicaron en 1932, aunque no le dieron fama hasta mucho más tarde. En el primero, “Atomi orientati in campo magnetico variabile,” Nuovo Cimento 9: 43-50, 1932,  derivó de forma independiente la fórmula de Landau-Zener (1932) y estudió el efecto de un campo magnético sobre un átomo anticipando trabajos posteriores de Rabi (1937) y Bloch-Rabi (1945), que acabaron con el Premio Nobel de Física de 1944 para Isidor I. Rabi. Y en el segundo, “Teoria relativistica di particelle con momento intrinseco arbitrario,” Nuovo Cimento 9: 335-344, 1932, estudió la teoría de campos relativistas para partículas de espín arbitrario, teoría que fue redescubierta una década más tarde por físicos soviéticos. En 1932 se descubrió el neutrón y Majorana pasó seis meses trabajando con Heisenberg en la teoría de las fuerzas de intercambio para explicar cómo los protones y neutrones se ligan en los núcleos de los átomos, que publicó al año siguiente (“Uber die Kerntheorie,” Zeitschrift für Physik 82: 137-145, 1933; también publicado como “Sulla teoria dei nuclei,” La Ricerca Scientifica 4: 559-565, 1933).

Majorana no volvió a publicar nada más hasta 1937, cuando tuvo que “promocionar” como profesor y se vio obligado a demostrar que era un investigador “en activo” (“Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone,” Nuovo Cimento 14: 171-184, 1937). Este artículo le ha hecho pasar a los libros de historia, pues introdujo lo que ahora llamamos fermiones de Majorana y sugirió que los neutrinos (partículas postuladas por Pauli y Fermi, entonces aún no descubiertas) podían ser partículas de Majorana; ahora nos puede parecer que la idea era revolucionaria, pues sabemos que los neutrinos tienen masa y oscilan, pero entonces era una idea exótica y pasó muy desapercibida (salvo por la comunidad de físicos italianos, en particular por Bruno Pontecorvo). Aún así, hoy en día hablamos de espinores de Majorana, masa de Majorana, osciladores de Majorana, e incluso de “majorones” (majorons).

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Entre 1933 y 1937 hay constancia de que Majorana siguió investigando por sus notas, manuscritos y por su correspondencia con otros físicos, pero no publicó nada. Su trabajo se centró en impartir clases de física: Métodos Matemáticos de la Mecánica Cuántica (curso 1933-34), Métodos Matemáticos de la Física Atómica (curso 1935-36), Electrodinámica cuántica (curso 1936-37). Nadie sabe el porqué, pero en 1938, el siciliano Majorana desapareció para no regresar. Esta desaparición fue el origen del mito, sin lugar a dudas.

¿Fue un gran docente Majorana? No hay constancia explícita, aunque muchos le admiran por el último curso que impartió en 1938, aunque solo tuvo 5 alumnos (las notas del curso se han preservado gracias a los apuntes de uno de ellos). Nada relevante, salvo para los mitómanos, que disfrutarán con A. Drago, S. Esposito, “Ettore Majorana’s Course on Theoretical Physics: A Recent Discovery,” Phys. Perspect. 9: 329-345, 2007 [arXiv:physics/0503084]. ¿Nada relevante? ¡Pero si anticipó en 1938 las integrales de camino de Feynman! Bueno, también lo hizo Dirac en 1933, pero bueno, si alguien está interesado… S. Esposito, “Una lezione particolare di Ettore Majorana,” arXiv:physics/0512174, Dic. 2005; S. Esposito, “Majorana and the path-integral approach to Quantum Mechanics,” arXiv:physics/0603140, Mar 2006; S. Esposito, “Four variations on Theoretical Physics by Ettore Majorana,” arXiv:physics/0604064, Apr. 2006. Más aún, si los cursos de física cuántica de Fermi eran soberbios, los de Majorana tenían que ser “resoberbios,” como no, A. De Gregorio, S. Esposito, “Teaching Theoretical Physics: the cases of Enrico Fermi and Ettore Majorana,” Am. J. Phys. 75: 781-790, 2007 [arXiv:physics/0602146].

¿Realmente Majorana era un genio comparable a, por ejemplo, Fermi? Si Fermi dijo que su alumno Majorana era un genio, por algo sería. Así lo opinan los que admiran al mito. ¿Quién descubrió la importancia de la teoría de grupos (las simetrías) en mecánica cuántica? Hermann Weyl (1885-1955) fue el padre matemático de la idea en 1928 y Eugene Wigner (1902-1995) quien la popularizó entre los físicos en 1931, pero algunos opinan que Majorana conocía y admiraba el trabajo de Weyl antes de Wigner, de hecho, uno de los 15 libros que Majorana tenía en propiedad era una edición del libro de Weyl “Gruppentheorie und Quantenmechanik” (1928) y dicho libro pudo influir en su trabajo y pensamiento científico. ¿Podría haber sido Majorana el Wigner italiano? Lo que está claro es que en su trabajo de 1933 citó y extendió los trabajos de Wigner. Los admiradores de Majorana disfrutarán con A. Drago, S. Esposito, “Following Weyl on Quantum Mechanics: the contribution of Ettore Majorana,” Found. Phys. 34: 871-887, 2004 [arXiv:physics/0401062].

Siempre pasa con los grandes genios “olvidados,” pero muchos lo olvidan muchas veces, muchas publicaciones “inéditas” y “rescatadas del olvido” de Majorana, en realidad no son suyas. Por ejemplo, Francesco Guerra, Nadia Robotti, “A forgotten publication of Ettore Majorana on the improvement of the Thomas-Fermi statistical model,” arXiv:physics/0511222, Nov. 2005, hablan de una publicación de Majorana, que en realidad no era suya (S. Esposito, “Again on Majorana and the Thomas-Fermi model: a comment to physics/0511222,” arXiv:physics/0512259, Dec. 2005).

¿Por qué Majorana era un “tipo” tan raro? Quizás era tan raro como todos nosotros; todos somos raros. Pero bueno, también se ha afirmado que su vida era reflejo de la “física cuántica” (O. B. Zaslavskii, “Ettore Majorana: quantum mechanics of destiny,” Priroda 11: 55-63, 2006 [arXiv:physics/0605001]; R. Jackiw, “Homage to Ettore Majorana,” arXiv:hep-th/0610228, Oct. 2006; Erasmo Recami, “Ettore Majorana: His Scientific (and Human) Personality. E.Majorana: Scientist and Man,” arXiv:0708.2855, Aut. 2007; S. Esposito, “Ettore Majorana and his heritage seventy years later,” arXiv:0803.3602, Mar 2008.

En resumen, Majorana es un mito, como Tesla, pero exagerar su genio y/o sus contribuciones es propio solo de mitómanos.

El bosón de Higgs y la naturaleza cuántica del tiempo

¿Qué es el tiempo? Lo que miden los relojes. ¿Existe el tiempo en un universo en el que no se pude construir ningún reloj? Según las ideas de Albert Einstein, no existe lo que no se puede medir. ¿Se puede construir un reloj solo con fotones? No, por ello se suele decir que para un fotón no existe el tiempo, solo el espacio. ¿Se puede construir un reloj en un universo en el que no existen partículas con masa y todas se mueven a la velocidad de la luz? Construir un reloj requiere intercambiar partículas sin masa entre partículas con masa, utilizando solo las primeras es imposible construirlo. Durante la primera billonésima de segundo tras la gran explosión (el big bang) creemos que ninguna partícula tenía masa, salvo el bosón de Higgs (la única partícula capaz de interaccionar con el campo de Higgs en dicha época). La única partícula que permitía construir un reloj era el bosón de Higgs. La naturaleza del tiempo parece ligada de forma íntima al bosón de Higgs.

La idea de que el tiempo emerge a partir del campo de Higgs y de su interacción con las partículas ha sido concebida por mucha gente desde hace mucho tiempo. Por ejemplo, en el artículo de J. C. Jackson, “A quantisation of time,” J. Phys. A: Math. Gen. 10: 2115, 1977 (en el que tenemos que substituir la palabra “cronón” por “bosón de Higgs,” como el propio Jackson nos recuerda en “Time and the Higgs,” arXiv:1208.5390). La idea es que las partículas con masa tienen un reloj interno cuyo tic-tac viene marcado por su interacción con el campo de Higgs es incluso más antigua y se puede remontar a la idea original es de Louis de Broglie en su tesis doctoral de 1924. Como es obvio no mencionó de forma explícita el campo de Higgs, pero propuso que el electrón tiene un reloj interno cuya frecuencia era \omega_B=\frac{m_e\,c^2}{\hbar}=0.78\times{}10^{21} Hz. El zitterbewegung que introdujo Erwin Schroedinger en 1930 para entender la ecuación relativista de Dirac para el electrón puede considerarse como el “movimiento interno” del electrón intuido por De Broglie. Los que hayan leído “The road to reality” de Roger Penrose estarán pensando ahora en el zig-zag del electrón que se presenta en el capítulo 25. Las componentes zurdas (levógiras) y diestras (dextrógiras) del electrón se van intercambio vía su interacción con el campo de Higgs, dotando al electrón de masa y de un reloj interno. David Hestenes nos lo recordó en “Electron time, mass and zitter,” FQXi essay, 2012.

Estas fiestas de fin de año son el momento ideal para pensar en el tiempo, en la naturaleza del tiempo, en la naturaleza cuántica del tiempo. ¿Qué procesos físicos pueden ser utilizados como reloj en el universo antes de la transición de fase electrodébil? Alguno me dirá que estas cuestiones entre la filosofía y la física no son de su interés, pero yo he aprovechado para releer a Svend Erik Rugh, Henrik Zinkernagel, “On the physical basis of cosmic time,” Stud. Hist. Philos. Mod. Phys. 40: 1-19, 2009 [arXiv:0805.1947]; y para leer a Svend E. Rugh, Henrik Zinkernagel, “Weyl’s principle, cosmic time and quantum fundamentalism,” arXiv:1006.5848, 30 Jun 2010 (el principio de Weyl (1923) afirma que la materia contenida en el universo es suficiente para especificar un sistema de referencia para el espacio y para el tiempo), además de H. Zinkernagel, “Did time have a beginning?,” International Studies in the Philosophy of Science 22: 3, 2008.

Dibujo20121229 The Ice Dragon as a mythological mnemonic for the multi-facetedness of the Problem of Time

Una vez comenté en este blog “Imaginad un mundo solo con gravitones (sin masa en reposo y con tiempo propio nulo). Para un gravitón el tiempo no existe (igual que para un fotón, no envejece). ¿Cómo se puede construir un reloj sólo con gravitones? Los relojes de luz de Einstein requieren dos objetos materiales (de masa no nula) entre los que se intercambia un fotón (masa nula). ¿Cómo podemos construir un reloj utilizando solo gravitones? ¿Qué es el tiempo si no lo que miden los relojes? ¿Sin relojes puede haber tiempo? Un reloj solo con fotones parece difícil de construir. ¿Un reloj con gluones? ¿Un reloj con gravitones? Qué diferencia estos últimos de los demás: su peculiar no linealidad (serie de potencias con todas las potencias, no truncada como para los gluones), el hecho de que tienen espín 2 (los otros tienen espín 1), o alguna otra cosa. No sé, siempre he pensado que esa otra cosa es la clave, la restricción que le falta a la gravitación de Einstein. Lo dicho, no tengo ni idea.”

Quizás necesitamos una teoría cuántica de la gravedad para entender cómo emerge el tiempo. Buscar “Time in quantum gravity” en Google Scholar permite ver gran número de ideas al respecto, la primera el clásico de H.D. Zeh, “Time in quantum gravity,” Physics Letters A 126: 311-317, 1988. Por cierto, la imagen del dragón de hielo y el problema del tiempo está extraída de Edward Anderson, “The Problem of Time and Quantum Cosmology in the Relational Particle Mechanics Arena,” arXiv:1111.1472 (cuya lectura es recomendada solo para quienes tengan tiempo de sobra, dadas sus 309 páginas).

Lo dicho, estas fiestas de fin de año son el momento ideal para pensar en el tiempo, …

El estudio del campo de Higgs gracias al bosón de Higgs

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Encontrar el bosón de Higgs ha sido el primer paso para entender la rotura espontánea de la simetría electrodébil, el mecanismo que genera la masa de las partículas (que tienen masa). El segundo paso es determinar las propiedades de la nueva partícula; entre ellas las más importantes son cómo se acopla al resto de las partículas, con objeto de verificar si este acoplamiento es proporcional a la masa de dichas partículas, como predice la teoría. Y el tercer paso, quizás el más importante, es estudiar cómo se acoplan los bosones de Higgs entre sí, ya que esta interacción múltiple es el único medio de reconstruir el potencial escalar del campo de Higgs \Phi. Nos lo cuentan J. Baglio, A. Djouadi, R. Grober, M. M. Muhlleitner, J. Quevillon, M. Spira, “The measurement of the Higgs self-coupling at the LHC: theoretical status,” arXiv:1212.5581, 21 Dec 2012.

La versión más sencilla para el potencial del campo de Higgs (la utilizada en 1964) es

\displaystyle{}V_H(\Phi^\dagger\Phi)=\mu^2\Phi^\dagger\Phi+\frac12\lambda(\Phi^\dagger\Phi)^2,\qquad\lambda=\frac{M_H^2}{v^2},\qquad\mu^2=-\frac{1}{2}M_H^2,

donde v=246 GeV. Este potencial se puede reescribir como la interacción entre tres bosones de Higgs, un auto-acoplo triple \lambda_{HHH}, cuyo valor en el modelo estándar está relacionado de forma unívoca con la masa del bosón de Higgs según

\displaystyle{}\lambda_{HHH}=\frac{3\,M_H^2}{v}.

En los colisionadores, el estudio de este acomplamiento requiere la producción de al menos dos bosones de Higgs en el mismo vértice (colisión), lo que significa que hay que producir un Higgs virtual (off-shell) que se desintegre en un par de bosones de Higgs (on-shell).

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La unificación eletrodébil

La teoría electrodébil afirma que a alta energía no hay diferencia entre la interacción electromagnética (mediada por fotones γ) y la interacción débil, tanto neutra (mediada por bosones Z) como cargada (mediada por bosones W). Los experimentos que estudian la estructura interna del protón usando colisiones con leptones cargados (tanto electrones como positrones) permiten verificar esta unificación electrodébil, como muestra esta figura obtenida combinando datos de HERA I (1992-2000) y HERA II (2003-2007); HERA son las siglas de Hadron-Electron Ring Accelerator, un acelerador de partículas que se encontraba en DESY, Hamburgo (Alemania), que fue clausurado el 30 de junio de 2007, en el que se hacían colisionar electrones y protones con una energía en el centro de masas de 319 GeV y se alcanzó una luminosidad integrada de 0,33 /fb de datos, que aún siguen siendo analizados, como muestra su reciente artículo H1 Collaboration, “Inclusive Deep Inelastic Scattering at High Q2 with Longitudinally Polarised Lepton Beams at HERA,” DESY-12-107, arXiv:1206.7007, submitted to JHEP on 29 Jun 2012. Más información en Matthew Wing (UCL), On behalf of the H1 and ZEUS Collaborations, “Measurements of deep inelastic scattering at HERA,” Physics in Collision Conference, Štrbské Pleso, Slovakia, 12-15 September 2012 [slides].

La figura muestra la sección eficaz de colisión (dσ/dQ²) para la interacción electrón-protón debida a corrientes neutras (NC), proceso ep → eX mediado por γ/Z, y a corrientes cargadas (CC), proceso ep → νX mediada por W, en función del cuadrado del momento transferido en la colisión (Q²). Como muestra esta figura, para colisiones de alta energía (con transferencia de momento mayor de 100 GeV), no hay diferencia alguna entre la interacción neutra (mediada por γ/Z) y la cargada (mediada por W), lo que demuestra que para estas energías la interacción débil y la electromagnética están unificadas. Sin embargo, ha baja energía, la sección eficaz para las corrientes neutras (NC) es varios órdenes de magnitud mayor que para las cargadas (CC); en concreto, dos órdenes de magnitud para Q²≃ 200 GeV². Sin embargo, para Q²≃ 10000 GeV², las corrientes neutras (NC) y las cargadas (CC) se comportan de la misma forma.

El análisis funcional y la estabilidad de la materia

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El lector sabe que dos litros de gasolina tienen el doble de energía que un litro; en termodinámica se dice que la energía es una magnitud extensiva. Demostrarlo parece fácil, pero no lo es. La solución de este problema, el problema de la estabilidad de la materia, requiere el uso de poderosas herramientas de análisis funcional, como mostró Elliott H. Lieb (quien el pasado 31 de julio cumplió 80 años). El problema matemático a resolver consiste en demostrar que la energía de un sistema de N partículas en interacción mutua (dos a dos) cumple que el límite E(N)/N es constante para N→∞. Quizás mucha gente piense que este problema tiene una solución sencilla, pero la demostración de Freeman Dyson y Andrew Lenard [1,2] era complicada en extremo, casi imposible de entender para un físico; gracias al trabajo de Elliott Lieb y Walter Thirring [3] las ideas físicas subyacentes vieron la luz, pero guiadas por el lenguaje del análisis funcional (que los físicos ya conocían gracias a que John von Neumann lo utilizó en sus fundamentos matemáticos de la física cuántica). Estoy aprovechando estas fechas navideñas para leer los trabajos originales de Elliott H. Lieb, gracias a su compilación en el libro “The Stability of Matter: From Atoms to Stars,” Edited by W. Thirring, Springer, 1997.

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Las branas negras cargadas se comportan como sólidos piezoeléctricos

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En la teoría general de la relatividad de Einstein un agujero negro es espacio, solo espaciotiempo. Un agujero negro en 4 dimensiones se comporta como un objeto puntual situando en el espaciotiempo (el lugar donde está la singularidad central) rodeado de una región de espaciotiempo vacío dentro del horizonte de sucesos; el agujero negro tiene masa, puede rotar (tener momento angular) y tener carga eléctrica, nada más. Sin embargo, en más de cuatro dimensiones los agujeros negros no son puntuales; en cinco dimensiones un agujero negro se comporta como una “cuerda negra” (un objeto unidimensional) y en seis dimensiones como un “brana negra” (un objeto bidimensional). ¿Se comportan estos agujeros negros multidimensionales como objetos materiales? Describir las propiedades de una “brana negra” no es fácil, pero los físicos teóricos creen que muestra propiedades de líquido, si es neutra para la carga eléctrica, y de sólido, si tiene carga eléctrica; en este último caso se comporta como un material piezoeléctrico, que convierte esfuerzos mecánicos en campos eléctricos. Jay Armas, Jakob Gath, Niels A. Obers, “Black Branes as Piezoelectrics,” Phys. Rev. Lett. 109: 241101, 10 Dec 2012 [arXiv:1209.2127].

El estudio de las propiedades de los agujeros negros y de las branas negras requiere el uso de una teoría cuántica de la gravedad, salvo en el régimen de campo débil y perturbaciones de longitud de onda grande. En este contexto se puede utilizar la correspondencia AdS/CFT y técnicas holográficas para demostrar que las branas negras neutras se comportan como un fluido (arXiv:0712.2456arXiv:0902.0427; y otros); este fluido se caracteriza por su viscosidad. El nuevo artículo técnico estudia con las mismas técnicas lo que pasa con branas negras cargadas eléctricamente. Cuando una cuerda negra cargada dentro de la brana negra cargada se deforma induce un momento dipolar eléctrico que provoca esfuerzos mecánicos sobre la brana, como si se tratara de un material piezoeléctrico. Un resultado realmente sorprendente.

 

El modelo estándar, la supersimetría y la supergravedad

El modelo estándar es la teoría que describe las leyes físicas que rigen la dinámica de todas las partículas subatómicas conocidas. Estas partículas fundamentales son excitaciones localizadas de campos cuánticos sujetos a dos tipos de simetrías continuas. Por un lado, la simetría del espaciotiempo, el grupo de Poincaré ISO(1,3), que requiere asociar a cada campo cuántico (o partícula) un espín bien definido, cuyo módulo tiene un valor semientero para los fermiones y un valor entero para los bosones. Los campos cuánticos tienen “componentes” igual que los campos clásicos (por ejemplo, el campo electromagnético tiene componentes magnéticas y eléctricas, por eso “unifica” campos magnéticos y eléctricos).

Los campos cuánticos se describen como representaciones lineales del grupo de Poincaré, es decir, las componentes del campo se comportan como un vector invariante ante transformaciones (matriciales) del grupo. Las representaciones lineales de este grupo se clasifican en función de un número, el espín, que puede tener un valor semientero o entero, separando las partículas (los campos) en fermiones o bosones, respectivamente.El espín tiene unidades de momento angular pero no tiene nada que ver con ninguna “rotación” interna de las partículas; igual que el momento angular, el espín tiene sus valores en un álgebra de Lie, de ahí que sus unidades sean las mismas. El espín nos indica el número de componentes del campo y cómo estas componentes se relacionan entre sí.

Y por otro lado, ciertas simetrías “internas” (gauge) asociadas a las interacciones entre partículas; en el modelo estándar estas simetrías corresponden al producto de grupos de Lie SU(3)xSU(2)xU(1), simplificando detalles técnicos; la invariancia de los campos ante transformaciones locales de estas simetrías gauge conduce a las interacciones fuerte, débil y electromagnética. En el modelo estándar las partículas de “materia,” los fermiones, y las partículas de interacción, los bosones gauge, se incorporan ad hoc (eso sí, cumpliendo ciertas reglas), es decir, nada prohíbe que existan nuevos fermiones y/o nuevas simetrías gauge aún no descubiertos; más aún, si se descubren en el LHC del CERN se pueden incorporar de manera muy sencilla al modelo estándar (repito, cumpliendo ciertas reglas, las leyes de la teoría cuántica de campos).

Por todo ello, aún se siguen buscando nuevas partículas. La tabla que abre esta entrada resume la situación a fecha de septiembre de 2012; desde entonces los límites han mejorado un poco. Más información a los interesados en Petra Van Mulders (On behalf of the CMS and ATLAS collaborations), “Searches for new fermions and bosons,” Physics In Collision 2012, September, 12-15 [slides]; Francesco Santanastasio (On behalf of the ATLAS and CMS collaborations), “Exotic Phenomena Searches (at hadron colliders),” Physics in Collisions, 12-15 September, 2012 [slides]; André A. Nepomuceno (ATLAS Collaboration), “Search for high-mass resonances decaying to dileptons with the ATLAS detector,” SILAFAE 2012, December 14, 2012 [slides].

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Hoy se anunciará en el CERN el descubrimiento del primer fermión supersimétrico de tipo Majorana

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Muchos ya daban por muerto el Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo (MSSM), pero ahora resurge cual zombie gracias al descubrimiento de la primera partícula de Majorana, un gluino con una masa alrededor de 105 GeV/c². Por ahora el descubrimiento ha de ser tomado con una pizca de sal, ya que la nueva partícula solo ha sido observada en el espectro de pares de muones con el mismo signo en el experimento ATLAS del LHC en el CERN; CMS aún no ha confirmado este gran descubrimiento. Rolf Heuer, director del CERN, no ha sido capaz de convencer a los responsables de la colaboración ATLAS, que ya huelen a Nobel, para retrasar el anuncio hasta la confirmación por su gran competidor, que se espera para febrero de 2013. La figura que abre esta entrada muestra el resultado observado tras analizar 4,7 /fb de colisiones a 7 TeV c.m. de 2011, que ya apuntaba a una posible señal. La nueva figura que se publicará esta tarde se ha obtenido tras analizar 13 /fb de colisiones a 8 TeV c.m. de 2012 y confirma a 5,02 sigmas la señal observada para la nueva partícula con m(μ±μ±)=105 GeV/c².

La blogosfera hierve con la noticia [aquí, aquí, aquí] que, repito por su importancia, será anunciada oficialmente hoy mismo en una rueda de prensa en el CERN a las 19:00 horas. El día 28 de diciembre de 2012 será recordado en todos los libros de historia de la ciencia por el anuncio del descubrimiento de la primera partícula supersimétrica, un gluino. El año 2012, el año del descubrimiento del Higgs y de la primera observación de una partícula de Majorana en un análogo físico de materia condensada, también será el año de la observación del gluino (aunque la confirmación definitiva no se producirá hasta 2013 tras la publicación de los resultados en el espectro dimuónico μ±μ± por parte de CMS). ¡Qué año más apasionante nos espera en 2013!

El análisis de la señal de la nueva partícula es difícil porque el espectro de pares de muones con el mismo signo ha de ser extraído de los eventos con múltiples muones (normalmente 3), lo que ha requerido el desarrollo de nuevos algoritmos de análisis. Os recuerdo a los despistados que en el modelo MSSM basado en una sola supersimetría N=1, los campos gauge bosónicos (fotón y gluón) tienen asociada una superpartícula fermiónica de espín 1/2 que es neutra para la carga eléctrica llamada de forma general gaugino (fotino y gluino). Estos fermiones neutros son partículas de Majorana ya que no tienen componentes quirales y presentan una señal muy clara en el espectro de pares leptones con el mismo signo. Tanto ATLAS como CMS tienen dificultades para determinar el signo de la carga de los electrones/positrones detectados en los calorímetros electromagnéticos, pero pueden hacerlo con éxito para los muones en los espectrómetros muónicos. ¿Puede un gluino de 105 GeV/c² ser responsable de la materia oscura? Por supuesto, de hecho, la sección eficaz calculada para el gluino recién descubrimiento apunta a que XENON100 y CDMS II deberían publicar la primer señal de la materia oscura en una búsqueda directa durante el verano 2013 (si no la observaran sería un duro varapalo para las búsquedas directas de materia oscura).

PS (17:30): Noticia de ultimísima hora. Se confirma que CMS también ha visto la nueva partícula. Rolf Heuer ha convencido en el último momento a Fabiola Gianotti para retrasar el anuncio del descubrimiento de la nueva partícula hasta el 1 de abril de 2013, para que también dé la noticia Joe Incandela. Un lunes que será recordado durante mucho tiempo en los libros de texto…