Francis en @TrendingCiencia: El annus mirabilis de la teoría del big bang

Mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia ya está disponible en este enlace. Como siempre una transcripción, enlaces e imágenes.

El tema de hoy es «The Big Bang Theory», pero no la popular sitcom de televisión, sino la historia de la teoría del big bang de George Gamow y Ralph Alpher, y su annus mirabilis, el año 1948. Pero antes tengo una primicia para tí, que me oyes todos los lunes en Trending Ciencia. Si estás en Málaga el próximo 12 de noviembre podrás asistir a mi conferencia «Lo que sabemos que no sabemos sobre el Big Bang.» Esta conferencia se iniciará recordando la historia que te voy a contar en este podcast, la historia del annus mirabilis de la teoría del big bang, el año 1948. ¡Ah! Por cierto, ¿conoces la historia del término «big bang» para referirse a la teoría de Gamow y Alpher?

Este podcast está basado en el artículo de P. J. E. Peebles, «Discovery of the Hot Big Bang: What happened in 1948,» arXiv:1310.2146 [physics.hist-ph], 8 Oct 2013.

Francis en @TrendingCiencia: La velocidad de los neutrinos y el experimento MINOS

Mi nuevo podcast sobre física para Trending Ciencia ya está disponible, sigue este enlace para escucharlo. El tema es la medida la velocidad de los neutrinos y en concreto de las medidas obtenidas por el experimento MINOS en 2007 y 2012. Muchos recordarán la medida obtenida por OPERA en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso en septiembre de 2011 que afirmó que los neutrinos muónicos eran superlumínicos. Al final se descubrió la existencia de un error sistemático, cuya corrección permitía salvar todos los datos ya recabados, pero además se logró financiación para realizar nuevos experimentos en Gran Sasso. MINOS (en EEUU) y T2K (Tokai to Kamioka, en Japón) también consiguieron financiación para hacer lo propio. Un resultado overhype (sobrevalorado) permite recabar financiación para investigar en temas muy interesantes.

En mi blog recomiendo leer «No hay mal (para OPERA) que por bien no venga (para MINOS),» 25 Abr 2012, «Con los GPS en el frigorífico para medir la velocidad de los neutrinos en MINOS,» 14 Jun 2012, » y «MINOS mide la velocidad de los neutrinos muónicos,» 12 Abr 2013. También recomiendo «La medida correcta de la velocidad de los neutrinos de OPERA en 2011 y los nuevos resultados de 2012,» 8 Jun 2012.

Los interesados en artículos técnicos disfrutarán con P. Adamson, «Neutrino Velocity: Results and prospects of experiments at beamlines other than CNGS,» Nuclear Physics B, Proceedings Supplements 235–236: 296–300, Feb–Mar 2013 [free pdf], y P. Adamson et al., «Measurement of the Velocity of the Neutrino with MINOS,» FERMILAB-CONF-12-666-AD, 15 Mar 2012. Además de Floyd W. Stecker, «Constraining Superluminal Electron and Neutrino Velocities using the 2010 Crab Nebula Flare and the IceCube PeV Neutrino Events,» arXiv:1306.6095 [hep-ph], 25 Jun 2013.

Para los interesados en otros artículos citados en el podcast: J. Alspector et al., «Experimental Comparison of Neutrino and Muon Velocities,» Phys. Rev. Lett. 36: 837–840, 1976; MINOS Collaboration, «A Search for Lorentz Invariance and CPT Violation with the MINOS Far Detector,» Phys. Rev. Lett. 105: 151601, 2010, arXiv:1007.2791 [hep-ex]; MINOS Collaboration, «Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam,» Phys.Rev. D 76: 072005, 2007, arXiv:0706.0437 [hep-ex].

Francis en @TrendingCiencia: Philip Anderson, el Higgs y la «higgsogénesis»

Algunos lectores de este blog se han preguntado quién es Philip Anderson y qué tiene que ver con el bosón de Higgs. Te lo cuento en mi nuevo podcast para Trending Ciencia, que también discute la «higgsogénesis» como explicación de la asimetría materia-antimateria.

Confirmado, como ya predije, el Premio Nobel de Física de 2013 ha sido otorgado a dos de los tres físicos teóricos que formularon el mecanismo de Brout-Englert-Higgs que da masa a las partículas fundamentales y que predice la existencia del bosón de Higgs. François Englert, de la Universidad Libre de Bruselas, Bélgica, junto al ya fallecido Robert Brout, de la misma universidad, y Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, Escocia, publicaron esta teoría en 1964 en la revista Physical Review Letters. Aunque mi predicción podía parecer fácil, mucha gente pensaba que el CERN, como institución, o el LHC, recibirían también el premio, o incluso que Philip Anderson, ya premio Nobel en 1977, o Tom Kibble, serían el tercer físico que acompañaría a Englert y Higgs, pero no acertaron. En este mi último podcast sobre el bosón de Higgs recordaré el papel de Anderson, y presentaré una curiosa idea, la «higgsogénesis» como explicación de la asimetría entre la materia y la antimateria.

Acceso gratuito a los artículos de F. Englert and R. Brout, «Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons,» Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964), y P. W. Higgs, «Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons,» Phys. Rev. Lett. 13, 508 (1964). La historia de Anderson, contada por sus propias palabras, en «Interview with Dr. Philip Anderson,» by P. Chandra, P. Coleman and S. Sondhi, 1999.

Sobre la higgsogénesis recomiendo Eugenie Samuel Reich, «‘Higgsogenesis’ proposed to explain dark matter,» News, Nature, 4 October 2013 (traducción al español). Siendo los artículos técnicos Geraldine Servant, Sean Tulin, «Higgsogenesis,» (Accepted in PRL) arXiv:1304.3464 [hep-ph], y Sacha Davidson, Ricardo Gonzalez Felipe, H. Serodio, Joao P. Silva, «Baryogenesis through split Higgsogenesis,» arXiv:1307.6218 [hep-ph].

Francis en Trending Ciencia: El campo de Higgs y la inflación cósmica

Ya puedes escuchar mi nuevo Podcast para Trending Ciencia sobre el bosón de Higgs (siento que mi voz no sea perfecta pero la tengo un poco tocada). Como siempre una transcripción del audio.

La teoría del big bang, la gran explosión, asume que el universo inició la flecha del tiempo y la expansión cósmica hace 13 800 millones de años. Hoy en día el universo es más grande de lo necesario para explicar por qué es tan homogéneo y tan isótropo a grandes escalas. El universo visible tiene un diámetro radio de unos 93.000 millones de años luz, un radio mucho mayor que lo que puede recorrer la luz durante toda su edad, 13.800 millones de años, ya que el universo está en expansión. La explicación más sencilla es la inflación cósmica introducida en 1981 por el físico Alan H. Guth y otros físicos (como Andrei Linde, Andreas Albrecht y Paul Steinhardt). Las inhomogenidades y las anisotropías en los primeros instantes de la gran explosión serían aplanadas por una hiperaceleración brevísima de la expansión del universo en los primeros instantes del big bang que daría lugar a un universo plano, homogéneo e isótropo, compatible con el análisis del fondo cósmico de microondas observado por el telescopio espacial Planck de la ESA. Hoy en día la inflación forma parte del modelo cosmológico de consenso y muy pocos cosmólogos dudan de su existencia.

Francis en Trending Ciencia: Las botellas de vino de Peter Higgs

Mi tercer podcast de la segunda temporada de Trending Ciencia lo puedes escuchar siguiendo este enlace, trata sobre la historia de Peter Higgs y su relación con el campo de Higgs y el bosón de Higgs. Peter Higgs ha impartido muchas veces su charla «My life as a boson» (mi vida como un bosón), en la que cuenta su temprana historia de amor con el bosón de Higgs. Cuando reciba el Premio Nobel de Física de 2013 tendrá que volverla a contar muchas veces. Hoy que estoy en Donostia / San Sebastián, en el evento de divulgación Naukas Quantum, con motivo del centenario del átomo de Bohr, aprovecharé una entrada que ya apareció en mi blog como guión para este podcast, que espero que te guste.

Más información en Peter Higgs, «My Life as a Boson,» Talk presented at Kings College London, Nov. 24th, 2010 [PDF]. Peter Higgs, «My Life as a Boson: The Story of “The Higgs”,» Asia Pacific Physics Newsletter 1: 20-21, Sep. 2012. Professor Peter Higgs «My Life as a Boson,» Lecture, Swansea University, YouTube Video, 12th July 2012. Peter Higgs «My life as a boson,» Talk, VIMEO Video, 2009. Professor Peter Higgs, «My Life as a Boson,» CERN, Video, 2012-05-17.

Francis en Trending Ciencia: Asuntos de familia del Higgs

Mi segundo podcast de la segunda temporada de Trending Ciencia lo puedes escuchar siguiendo este enlace, trata sobre el Higgs y su familia. No, no se trata de prensa rosa sobre el matrimonio de Peter Higgs, futuro ganador del Premio Nobel de Física de 2013. Si el tema te interesa, este podcast no resolverá tus dudas.

Todas las partículas del modelo estándar vienen en familias. Hay tres familias de leptones y tres familias de quarks. Hay una familia de cuatro bosones electrodébiles (incluyendo entre ellos el fotón) y una familia de ocho gluones. ¿Por qué el bosón de Higgs tiene que estar más solo que la una? Muchos físicos téoricos han propuesto modelos que incluyen toda una familia de bosones de Higgs. El modelo estándar sólo ha encontrado un bosón, el de menor masa en la familia, pero nada impide que existen otros miembros de mayor masa. Permíteme recordar estas ideas.

Más información en, por ejemplo, P. M. Ferreira, Rui Santos, «2HDM benchmarking,» PDF, Jun 18, 2013, Simon Köhlmann (on behalf of ATLAS and CMS), «Searches for Higgs in 2HDM at the LHC,» Workshop on Higgs and Beyond, Tohoku University, Sendai, Japan, 5th–9th, Jun, 2013 [slides].

Francis en Trending Ciencia: El Higgs invisible

Hoy se inicia la segunda temporada de Trending Ciencia. En este enlace puedes escuchar mi primer podcast sobre Física, que trata sobre el Higgs invisible. El 8 de octubre sabremos quién recibirá el Premio Nobel de Física de 2013. Bueno, en realidad ya lo sabemos, todas las apuestas apuntan a que lo recibirán el escocés Peter Higgs y el belga François Englert, que ya recibieron junto al CERN el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica de 2013. Por ello voy a dedicar mis primeros podcasts sobre Física para la nueva temporada de Trending Ciencia a hablar de diferentes aspectos de la física del bosón de Higgs.

Más información en Tommaso Dorigo, «Invisible Higgs Not Seen!,» AQDS, Sep 4, 2013; el artículo más reciente sobre la búsqueda del Higgs invisible es The CMS Collaboration, «Search for invisible Higgs decays in the VBF channel,» CMS PAS HIG-13-013, Aug 30, 2013. Más información técnica en las charlas de Monoranjan Guchait, «Looking for invisible Higgs signal at the LHC,» [pdf slides], y P. S. Bhupal Dev, «Invisible Higgs Decay to Light Sneutrinos,» [pdf slides], ambas en la 21st Int. Conf. on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions (SUSY13), ICTP, Trieste, 26-31st August, 2013.

Francis en Trending Ciencia: Logran parar pulsos de luz durante un minuto

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción, enlaces a los artículos técnicos y algunas imágenes.

He elegido como tema una noticia que Nuño Domínguez, periodista científico de esMateria.com, ha titulado como «Récord mundial: Científicos alemanes detienen la luz durante un minuto.» Nos cuenta que «en el laboratorio de física cuántica que dirige Thomas Halfmann (…) en la Universidad Técnica de Darmstadt, Alemania (…) [han paralizado] un rayo de luz durante un minuto: todo un récord mundial que casi multiplica por cuatro el anterior. El avance técnico es un importante paso hacia (…) una especie de internet [imposible de hackear] que funcione con luz y en el que los mensajes vayan [cifrados] usando fotones. Cualquier intento de interferir en esos fotones destruiría la clave o el mensaje que transportan, lo que hace que la clave sea teóricamente inexpugnable. Pero para poder enviar mensajes con fotones [hay que] construir (…) una memoria informática que los guarde [todo el tiempo que sea necesario].»

Nuño Domínguez nos cuenta esMateria.com que «la técnica de Halfmann consiste en disparar un primer rayo láser de control a un cristal opaco, lo que lo vuelve transparente. Después se dispara un segundo láser, que lleva un mensaje, en este caso una imagen. En ese momento se apaga el primer rayo láser y el mensaje queda encerrado en el cristal. Aplicando campos magnéticos Halfmann logra que los átomos del cristal retengan la luz durante un tiempo récord, [sesenta segundos], un minuto. Después se enciende el primer láser, el cristal vuelve a tornarse transparente y la luz congelada en el tiempo vuelve a correr, transmitiendo su mensaje. Por ahora no han llegado al régimen de un solo fotón que se necesita para las memorias cuánticas.»

Algunos comentarios en Twitter me han llamado la atención. Unos por creer que se ha logrado parar los fotones individuales (algo obviamente imposible por definición de fotón). Otros por creer que se ha logrado a alta temperatura, mal interpretando la frase de Nuño Domínguez en esMateria.com: «Este mismo año, otro equipo de EEUU logró el récord [anterior] al retener la luz durante 16 segundos dentro de una nube de gas a unos 273 grados bajo cero, algo que ahora ha quedado totalmente pulverizado con la Transparencia Inducida Electromagnéticamente (EIT, en inglés) usada por Halfmann.» El nuevo récord de 60 segundos se ha logrado con el cristal enfriado a 4 Kelvin, es decir, a 269 grados bajo cero. De hecho, poder aplicar la nueva técnica a pocos fotones, o incluso a un sólo fotón, con seguridad requerirá bajar la temperatura a unos micro- o nano-Kelvin. Permíteme una discusión sobre el nuevo resultado técnico de Halfmann y sus colegas, cuyo mayor interés es que se ha utilizado un cristal, un dispositivo de estado sólido, en lugar de un gas de átomos ultrafríos o un condensado de Bose-Einstein.

Francis en Trending Ciencia: El efecto Josephson

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción del audio.

He elegido, sin que sirva de precedente, una noticia que ya ha aparecido en mi blog, la observación directa del fenómeno responsable del efecto Josephson en uniones de superconductores, la aparición de pares de estados de Andreev, los llamados «puentes» de Adreev. Me basaré en el News & Views en Nature de Simon Gustavsson y William Oliver (ambos del MIT, Instituto Técnico de Massachusetts, EEUU), titulado “Andreev states taken to the next level,” («estados de Andreev llevados al límite») publicado en Nature el pasado 18 de julio. Ellos se hacen eco del artículo técnico de Landry Bretheau, miembro del grupo de Quantrónica de Cristian Urbina, en el Centro Multidisciplinar CEA de Saclay, Francia, Instituto miembro del CNRS, el equivalente francés del CSIC español. El artículo de Bretheau y sus colegas se titula “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact,” («pares de Andreev excitados en un contacto atómico superconductor), publicado en Nature también el pasado 18 julio de 2013. No es la primera vez que se observan los estados de Andreev en una unión Josephson, pero se trata de la primera observación directa utilizando espectroscopía por absorción de fotones. Como afirman Gustavsson y Oliver, el nuevo artículo del grupo de Urbina da el pistoletazo de salida a la física de los estados de Andreev, que promete interesantes aplicaciones en computación cuántica y en metrología basada en superconductores.

Francis en Trending Ciencia: La materia oscura en el Sistema Solar

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia siguiente este enlace.

Me encuentro en la trigésimocuarta Reunión Bienal de la Real Sociedad Española de Física que se celebra en Valencia, del 15 al 19 de julio de 2013. He elegido como tema para mi podcast el artículo de N. P. Pitjev, E. V. Pitjeva, «Constraints on Dark Matter in the Solar System,» Astronomy Letters 39: 141-149, March 2013 [arXiv:1306.5534]. Los autores han utilizado el movimiento de los planetas (unas 677.000 observaciones) para estimar la densidad de materia oscura y masa total a varias distancias del Sol. El resultado es que la densidad es menor de 1,1 ×10^{-20} g/cm³ en una esfera de radio similar a la órbita de Saturno, menor de 1,4 ×10^{-20} g/cm³ en una esfera de radio similar a la órbita de Marte y menor de 1,4 ×10^{-19} g/cm³ en una esfera de radio similar a la órbita de la Tierra. Estas cotas superiores para la densidad de materia oscura en el sistema solar son enormes comparadas con las estimaciones basadas en el halo galáctico (al menos tres órdenes de magnitud por encima) por lo que nos dan muy poca información práctica sobre la materia oscura en el Sistema Solar.

En el Sistema Solar hay dos tipos de materia oscura. Por un lado, la materia oscura capturada por el campo gravitatorio del Sol y de los planetas, que puede encontrarse en sus núcleos o dando vueltas a su alrededor. Y por otro lado, la materia oscura del halo galáctico que atraviesa el Sistema Solar mientras rota alrededor del centro galáctico. En ambos casos, la materia oscura podría afectar al movimiento de los planetas. La hipótesis más sencilla es que la materia oscura tiene una densidad constante a la escala del sistema solar. En dicho caso supondría una corrección a la ley de Newton que implicaría una precesión del perihelio de los planetas. Un cálculo del efecto indica que sería unos 7 órdenes de magnitud más pequeño que la precisión actual con la que podemos medir su efecto. Es decir, sería imposible detectar este efecto en el movimiento de los planetas.

Por ejemplo, en 1995 se utilizó el movimiento del perihelio del asteroide Icarus, que se encuentra a 1 unidad astronómica del Sol, que se conoce con un error de un 8%, para estimar la densidad de materia oscura en el sistema solar. El valor obtenido para la densidad de materia oscura en el sistema solar era un valor menor de 1,8 por 10^-16 g/cm^3, que es unas siete órdenes de magnitud más grande que la densidad predicha de materia oscura en nuestra galaxia. Más información en Øyvind Grøn, Harald H. Soleng, «Experimental limits to the density of dark matter in the solar system,» Astrophys.J. 456 (1996) 445-448 [arXiv:astro-ph/9507051].

Las estimaciones de la densidad de materia oscura en el halo galáctico de la Vía Láctea son difíciles de realizar con precisión, pues requieren una hipótesis sobre su distribución; una estimación grosera nos lleva a un valor cercano a 1,3 × 10^−23 g/cm³. Un valor entre tres y cuatro órdenes de magnitud mayor que el obtenido por los rusos N. P. Pitjev y E. V. Pitjeva. Su trabajo es muy interesante pero su resultado nos ayuda poco en la búsqueda directa de las partículas de materia oscura.

En resumen, un podcast breve pero que espero que te haya gustado. Sigue este enlace si aún no lo has escuchado.