El momento dipolar eléctrico del electrón y la búsqueda de la supersimetría

Dibujo20131113 schematic of the apparatus - collimated pulse ThO enters magnetically shielded region - arxiv org

La distribución de carga del electrón es la esfera más perfecta que se ha logrado medir. En 2011 se publicó en Nature que el momento dipolar eléctrico del electrón es |d|<10,5 × 10−28 e cm, al 90% C.L. Un nuevo artículo rebaja esta límite en un orden de magnitud, a tan sólo |d| < 8,7 × 10−29 e cm, también al 90% C.L. No sé si el nuevo resultado acabará siendo aceptado en Nature, pero es muy interesante ya que muchas extensiones del modelo estándar que incorporan violaciones de la simetría CP (o de la simetría T) predicen un momento dipolar eléctrico del electrón entre 10−27 > |d| > 10−30 e cm, con lo que el nuevo resultado restringe bastante dichas teorías (entre ellas, la supersimetría a baja energía, en la escala electrodébil que explora el LHC). En cierto sentido el nuevo artículo es un nuevo revés para la búsqueda de la supersimetría en el LHC (aunque en rigor aún queda hueco libre). El nuevo artículo técnico es ACME Collaboration, “Order of Magnitude Smaller Limit on the Electric Dipole Moment of the Electron,” arXiv:1310.7534 [physics.atom-ph], 07 Nov 2013. El artículo técnico con la estimación anterior es J. J. Hudson et al., “Improved measurement of the shape of the electron,” Nature 473: 493–496, 26 May 2011. Más información en Clara Moskowitz, “Electron appears spherical, squashing hopes for new physics theories,” Nature News, 13 Nov 2013 [SciAm 11 Nov 2013].

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Polémica observación de iones pesados en un chorro relativista

Dibujo20131113 Residuals continuum modelling X-ray spectra - Baryons relativistic jets stellar-mass black-hole candidate - nature com

Los agujeros negros con disco de acreción emiten chorros relativistas, tanto en sistemas binarios de masa estelar como en el centro de las galaxias. Sabemos que estos chorros contienen electrones ultrarrelativistas, pero como deberían ser neutros además tienen que emitir partículas de carga positiva; podrían ser positrones (inobservables desde la Tierra) o núcleos atómicos pesados (materia bariónica). Hasta ahora no se han observado estos iones pesados en los chorros.

María Díaz Trigo (Agencia Europea del Espacio, ESA) y varios colegas publican en Nature lo que podría ser la primera observación de materia bariónica en el chorro relativista de un agujero negro de masa estelar, en concreto en el sistema binario llamado 4U 1630-47, gracias al telescopio espacial XMM-Newton de la ESA (observación difícil que ha sido confirmada por el ATCA, Australia Telescope Compact Array). La línea de emisión más fuerte se encuentra a 7,28 keV, siendo muy delgada (su anchura es de 0,17 ± 0,05 keV); los autores afirman que lo más plausible es que esté asociada a hierro (Fe) altamente ionizado en un chorro relativista que se mueve a una velocidad mayor de 0,3 c (un tercio de la velocidad de la luz) con una inclinación relativa en dirección a la Tierra menor de 73°, es decir, que esta línea de emisión está desplazada al azul. También se observa una línea de emisión a 8,14 keV que parece asociada a níquel (Ni) altamente ionizado, pero que debería ser una línea desplazada al rojo. También se ha observado una señal que podría ser otra línea del hierro desplazada al rojo.

Por supuesto, esta observación y su interpretación son muy especulativas y generarán bastante polémica. Muchos expertos dudarán de este resultado hasta que no se repita de forma independiente dicha observación en otras fuentes binarias de rayos X. Todo el mundo espera que haya bariones en los chorros y quizás los autores del estudio han interpretado los resultados con un fuerte sesgo cognitivo. Sólo el tiempo dirá si se confirma esta observación o se necesita una interpretación alternativa.

El polémico artícuo técnico es María Díaz Trigo et al., “Baryons in the relativistic jets of the stellar-mass black-hole candidate 4U 1630-47,” Nature, AOP 13 Nov 2013. Por cierto, en español también puedes leer “Los chorros de los agujeros negros se mueven a dos tercios la velocidad de la luz,” Europa Press, 13 Nov 2013.

Un láser de Josephson capaz de emitir un solo par de Cooper

Dibujo20131111 detailed emission spectra - single-cooper-pair josephson laser

Los pares de Cooper en un superconductor son parejas de electrones que se comportan como bosones; el estado superconductor es un condensado de Bose-Einstein de los pares de Cooper. Como son bosones, se puede diseñar un láser de pares de Cooper, llamado láser Josephson. Lei Chen (Universidad de Darmouth, Hanover, New Hampshire, EEUU) y sus colegas han logrado fabricar un láser de Josephson capaz de emitir un solo par de Cooper. Una fuente de pares de Cooper  uno a uno. Un láser Josephson se basa en introducir un transistor de pares de Cooper (CPT) en una cavidad resonante (CPW), donde los pares de Cooper pueden interaccionar con fotones de forma coherente. El CPT tiene dos estados, |0> que corresponden al estado fundamental de los pares de Cooper y |1> que es el estado excitado con un solo par de Cooper. Cuando se ajusta la frecuencia de resonancia de la cavidad óptica de forma adecuada, el acoplo entre fotones y pares de Cooper conduce a la emisión de forma periódica pares de Cooper individuales mediante la transición |1> → |0>. El nuevo láser promete aplicaciones fotónicas, como la generación de fotones de incertidumbre mínima en amplitud (llamados “comprimidos” o squeezed) y para el estudio básico de la dinámica cuántica de los sistemas no lineales. El artículo técnico es Fei Chen et al., “A Single-Cooper-Pair Josephson Laser,” arXiv:1311.2042 [cond-mat.supr-con], 08 Nov 2013.

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La búsqueda de las axiones como candidatos a materia oscura

Dibujo20131108 admx achieved and projected sensitivity - admx collab

Sabemos que la materia oscura existe, pero no sabemos lo que es. La búsqueda de partículas WIMP no ha tenido éxito en las últimas décadas. Un candidato alternativo son los axiones, unas partículas superligeras predichas por la cromodinámica cuántica. Los axiones son una predicción teórica del modelo estándar y permiten explicar la materia oscura fría sin necesidad de física más allá del modelo estándar. El año pasado se inició el experimento de búsqueda de los axiones llamado ADMX (Axion Dark Matter Experiment) en el Centro de Física Nuclear Experimental y Astrofísica de la Universidad de Washington. La colaboración ADMX nació en 1996 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, pero en 2010 se mudó de Livermore a Washington, junto con su director Leslie Rosenberg (el experimento es un cilindro de 4 metros de longitud fácilmente transportable por carretera). Se espera que en los próximos años el experimento ADMX descubra o descarte de forma definitiva la existencia de los axiones. Nos lo cuenta Adrian Cho, “Dark Matter’s Dark Horse,” Science 342: 552-555, 1 Nov 2013.

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Algunos artículos de Física en Nature Communications

Dibujo20131108 Setup and thermometry of a noise-driven cantilever - ncomms3624-f1

Una barra en voladizo (fija por un extremo) es el prototipo de los sistemas micromecánicos para la medida ultrasensible de masas y de fuerzas en la nanoescala. Este sistema presenta una resonancia estocástica que hace que su movimiento oscilatorio bifurque entre dos estados estables en respuesta a un ruido blanco (biestabilidad debida a una amplificación paramétrica). Este fenómeno permite usar este sistema micromecánico para medir señales muy débiles incluso en un medio ambiente muy ruidoso.

Dibujo20131108 Bistable frequency response lines of the cantilever measured at room temperature - nature commEl artículo técnico, para los interesados en los detalles, es Warner J. Venstra, Hidde J. R. Westra, Herre S. J. van der Zant, “Stochastic switching of cantilever motion,” Nature Communications 4: 2624, 31 Oct 2013 (ver también Warner J. Venstra et al., “Mechanical stiffening, bistability, and bit operations in a microcantilever,” arXiv:1011.1309 [cond-mat.mes-hall]).

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Francis en @TrendingCiencia: El levitón que transporta un electrón individual en un conductor

Dibujo20131103 light microscopy histological analysis controls and 3d bioactive models

Puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia siguiendo este enlace. He elegido un artículo aparecido en la revista Nature el pasado 31 de octubre titulado “Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons” (“estados de excitación mínima para la óptica cuántica de electrones usando levitones”) cuyo autor principal es Christian Glattli, del Grupo de Nanoelectrónica del IRAMIS, en el centro CEA de Saclay, Francia, centro que pertenece al CNRS Francés, y la primera autora es Julie Dubois. El artículo presenta la observación experimental de un nuevo tipo de onda solitaria o solitón bautizada como “levitón”. Los levitones son cuasipartículas formados por un número entero de electrones y se pueden usar para transportar electrones individuales a través de un conductor, es decir, actúan como fuentes de electrones individuales bajo demanda, lo que les hace tener múltiples aplicaciones en nanoelectrónica cuántica.

Por cierto, en el título del artículo técnico se habla de óptica cuántica de electrones, que también se traduce por óptica cuántica electrónica, quizás te preguntes qué es: se trata de usar técnicas con electrones en materiales conductores que están inspiradas en la óptica cuántica. Pero vayamos al grano, ¿qué son los levitones? Y lo más importante, ¿cómo han sido observados?

El nuevo artículo técnico es J. Dubois et al., “Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons,” Nature 502: 659–663, 31 Oct 2013. El podcast también está inspirado en Christian Flindt, “Quantum physics: Single electrons pop out of the Fermi sea,” News & Views, Nature 502: 630–632, 31 Oct 2013. Para los francófonos “Les lévitons : des électrons sans bruit pour l’optique quantique électronique,” IRAMIS, CEA Saclay, 29 Oct 2013.

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Lo último sobre la anomalía a 5 sigmas en los datos de CDF del Tevatrón (Fermilab)

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En el año 2011 el experimento CDF del Tevatrón (Fermilab) observó una anomalía a 5 sigmas en los sucesos que producían un bosón W y dos chorros hadrónicos. El experimento DZero del Tevatrón refutó dicha señal. Tampoco se observó en el LHC (ATLAS y CMS). Un análisis preliminar en febrero 2013 descubrió que la causa era un error sistemático. El análisis oficial se acaba de publicar en ArXiv. Tras analizar 9,1 /fb de colisiones protón-antiprotón a 1,96 TeV c.m. no se observa ninguna anomalía en los canales WW, WZ y ZZ. La figura que abre esta entrada muestra cómo ha desaparecido la anomalía (mostrada en la figura de abajo). El artículo técnico es CDF Collaboration, “Search for a dijet resonance in events with jets and missing transverse energy in pp¯ collisions at √s=1.96 TeV,” arXiv:1310.7267 [hep-ex], 27 Oct 2013. Más información divulgativa en Tommaso Dorigo, “No Jet-Jet Bump In New CDF Diboson Analysis !,” AQDS, 29 Oct 2013.

Dibujo20131103 cdf dijet anomaly 2011

El “efecto de los machos raros” en los guppies es debido a la selección natural y la sexual

Dibujo20131102 poecilia reticulata - guppys - acuarioadictos com

Los machos del pez guppy (Poecilia reticulata) despliegan una deslumbrante variedad de colores y las hembras prefieren aparearse con los machos más vistosos. La selección sexual de un rasgo debería reducir su variabilidad. En 2006 se propuso que actúa la selección natural ya que en un entorno natural los guppies machos con colores raros despistan a los depredadores y sobreviven más. Se publica en Nature que los guppies machos salvajes con rasgos raros se aparean más y dejan más descendencia. Por tanto, la gran variabilidad de color de los guppies machos tiene su origen tanto en la selección natural como en la selección sexual. Nos lo cuentan Jeffrey S. McKinnon, Maria R. Servedio, “Evolutionary ecology: Novelty makes the heart grow fonder,” News, Nature, AOP 30 Oct 2013, quienes se hacen eco del artículo técnico de Kimberly A. Hughes, Anne E. Houde, Anna C. Price & F. Helen Rodd, “Mating advantage for rare males in wild guppy populations,” Nature, AOP 30 Oct 2013. El artículo de 2006 es Robert Olendorf et al., “Frequency-dependent survival in natural guppy populations,” Nature 441: 633-636, 01 Jun 2006.

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El experimento LUX no encuentra partículas WIMP de materia oscura de menos de 33 GeV

Dibujo20131030 lux 90 per cent confidence limit on spin-independent elastic wimp-nucleon cross section

La noticia del día es la rueda de prensa con los nuevos resultados del experimento Large Underground Xenon (LUX) de búsqueda de materia oscura en el Laboratorio Subterráneo de Sanford, Lead, Dakota del Sur. No se han encontrado partículas WIMP de masa menor de 33 GeV/c² durante los 85,3 días de estudio de 118 kg de xenón entre abril y agosto de 2013. Se descarta al 90% C.L. la interacción elástica de estas partículas WIMP con nucleones, interacción independiente del espín, con una sección eficaz superior a 7,6 × 10−46 cm². Un resultado espectacular y una mala noticia para quienes pensaban que la materia oscura son partículas WIMP de baja masa. El artículo técnico es D.S. Akeri et al., “First results from the LUX dark matter experiment at the Sanford Underground Research Facility,” Preprint enviado a PRL y ArXiv. Transparencias [slides PDF] utilizadas en la rueda de prensa de Rick Gaitskell (Brown) y Dan McKinsey (Yale). Más info divulgativa en Eugenie Samuel Reich, “No sign of dark matter in underground experiment. LUX, the most sensitive dark matter detector yet, fails to capture mysterious particles,” News Nature, 30 Oct 2013; Adrian Cho, “New Experiment Torpedoes Lightweight Dark Matter Particles,” Science NOW, 30 Oct 2013; y “First results from LUX experiment in South Dakota. World’s most sensitive dark matter detector operating at the Sanford Underground Research Faciility,” Sanford Lab News, Oct 30, 2013.

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Nueva medida del desdoblamiento hiperfino del positronio conforme con el modelo estándar

Dibujo20131028 summary DeltaHFS measurements from past experiments and new result - arxiv org

Hay muchas pequeñas discrepancias entre el modelo estándar de la física de partículas y las medidas experimentales. La mayoría deben ser debidas a errores sistemáticos en dichas medidas. El desdoblamiento hiperfino del positronio discrepa a 3,9 sigmas de las predicciones del modelo estándar. Una nueva medida obtenida por un dispositivo experimental diseñado para reducir los errores sistemáticos al máximo posible obtiene un valor a sólo 1,2 sigmas de la predicción teórica y a 2,7 sigmas de medidas anteriores. El nuevo resultado confirma que el modelo estándar sigue siendo una teoría muy robusta que resiste todos los avatares de los experimentos. La nueva física puede ocultarse en cualquier resquicio, por ello este tipo de resultados son muy importantes. El artículo técnico es A. Ishida et al., “New Precision Measurement of Hyperfine Splitting of Positronium,” arXiv:1310.6923 [hep-ex], 25 Oct 2013.

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