El campo de Higgs, el inflatón, la energía oscura y los monopolos magnéticos

Dibujo20130822 higgs boson discovery - ethan siegel - july 4 2012 Para algunos el descubrimiento del bosón de Higgs ha sido un jarro de agua fría, para otros una diversión sin límite. Como es una partícula escalar (de espín cero) y se han propuesto campos escalares como solución a muchos de los problemas actuales (energía oscura, materia oscura, etc.), extender la física del campo de Higgs para que se comporte en cierto régimen como uno de esos campos es fácil y además se publica fácil en muchas revistas. Por ello, muchos medios publican noticias que afirman que el bosón de Higgs puede explicar la energía oscura, la materia oscura, la inflación cósmica, etc. Hay que tener cuidado con estas noticias. El bosón de Higgs está hasta en la sopa, pero se trata de ideas especulativas que extienden la física del campo de Higgs más allá de lo que está demostrado y los autores de estos trabajos no estudian todas las consecuencias de sus teorías, por lo que en muchos casos contradicen la física conocida (al centrarse en explicar cierto fenómeno, olvidan que su idea tiene consecuencias en otros fenómenos en apariencia alejados). Permíteme poner unos ejemplos de actualidad. Sigue leyendo

El monopolo magnético y un inolvidable día de San Valentín para el físico español Blas Cabrera

En el LHC del CERN no sólo se busca a la partícula de Higgs, también se buscan otras partículas exóticas. El experimento MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC) busca partículas altamente ionizantes, como el monopolo magnético. El físico James L. Pinfold y su equipo busca repetir lo que le ocurrió a las 14:00 horas del 14 de febrero de 1982 al físico español Blas Cabrera en la Universidad de Stanford. Un monopolo magnético atravesó el detector criogénico superconductor que había puesto a punto tras tres duros años de trabajo. Hoy, casi 30 años más tarde, ningún otro monopolo magnético ha dado señales de su existencia. La mayoría de las extensiones del modelo estándar a alta energía son mucho más simétricas que el modelo estándar, por lo que predicen la versión más simétrica posible de las ecuaciones de Maxwell, que incluye la existencia de partículas elementales con un solo polo magnético. Esta simetría debe estar rota ya que todavía no se ha observado ningún monopolo magnético, por lo que, de existir, los monopolos magnéticos tienen que ser muy pesados (del orden de 1 TeV). Una entrada tan optimista como “Monopolos, de aquí a un año,” Tu Anciana Abuela, 26 de marzo de 2010, me ha recordado que hace tiempo que no hablamos de monopolos magnéticos en este blog. Permitidme algunos comentarios y que os recomiende un artículo sobre los físicos que buscan desesperadamente lo que quizás nunca se encuentre, Geoff Brumfiel, “Physics: The waiting game,” News Feature, Nature 429: 10-11, 6 May 2004.

En 1931, el genial físico teórico P.A.M. Dirac estudió el origen cuántico de la cuantización de la carga eléctrica y descubrió, para su sorpresa, que la versión cuántica de las ecuaciones de Maxwell predecía de forma natural la aparición de un carga magnética elemental o monopolo magnético. La carga magnética igual que la carga eléctrica está cuantizada y cumple la relación g = n ħ c/(2 e) = n gD, para n = 1, 2, …, donde gD = ħ c/(2e) = 68’5 e, es llamada unidad de carga magnética de Dirac. Si existe el monopolo magnético las ecuaciones de Maxwell serán más simétricas, pero no totalmente simétricas ya que e ≠ g. Sin embargo, a alta energía, e = g, en todas las extensiones del modelo estándar que predicen la existencia de monopolos magnéticos (como en ciertas teorías de gran unificación, GUT, teorías supersimétricas, SUSY, teorías de cuerdas, etc.). ¿Por qué no se observan a baja energía monopolos por doquier? Dirac predijo que el monopolo magnético debería ser una partícula elemental con gran masa (masa que ninguna teoría actual es capaza de predecir). Si el radio clásico del monopolo es igual al radio clásico del electrón, rM = g2/(mM c2) = re = e2/(me c2), obtenemos mM = g2 me/e2 ≈ 4700 n me = n 2’4 GeV/c2. Esta masa es relativamente grande pero con toda seguridad la masa de los monopolos magnéticos, de existir, es mucho más grande aún.

Según la página web de MoEDAL, los experimentos del LEP2 en el CERN excluyen un monopolo magnético con masa inferior a 120 GeV y los experimentos del Fermilab uno con una masa inferior a 850 GeV. Aunque según el Particle Data Group, el experimento L3 del LEP2 en el CERN excluyó un monopolo magnético con masa inferior a 510 GeV (95% C.L.) y DZero del Fermilab excluye un monopolo magnético de espín cero con masa inferior a 610 GeV, de espín un medio con masa inferior a 870 GeV, y con espín uno con masa inferior a 1580 GeV. La producción de un monopolo magnético en el LHC con colisiones a 7 TeV parece extremadamente difícil. Por ello yo no comparto el optimismo de Tu Anciana Abuela sobre la posibilidad de que MoEDAL encuentre monopolos magnéticos en los próximos dos años. Habrá que esperar como pronto a las colisiones a 14 TeV en el LHC previstas para 2013.

Para los físicos que se dedican a la búsqueda de los monopolos magnéticos, la búsueda es como una droga, como la búsqueda del Santo Grial. En palabras de Giorgio Gratta, compañero en Stanford de Cabrera, la búsqueda de los monopolos “es como una droga: te vuelves adicto y no puedes abandonarla.” A pesar de los reveses de financiación y algunas falsas alarmas ocasionales, muchos de esos físicos logran una carrera exitosa, aun cuando sus detectores no registren una sola partícula. Por ejemplo, Blas Cabrera publicó su descubrimiento en la prestigiosa revista Physical Review Letters, como único autor (Blas Cabrera, “First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles,” Phys. Rev. Lett. 48: 1378–1381, 17 May 1982; citado más de 250 veces). En el artículo Cabrera no afirma haber encontrado un monopolo. Sólo describe lo que observó su detector. Un descubrimiento problemático donde los haya. Su detector observó una sola vez y solamente una vez lo que la teoría predecía que se observaría si lo atravesaba un monopolo magnético. Llaman matagatos a quien mató una vez a un gato, pero en física no se llama descubridor a quien observa algo por primera y única vez. Hay que repetir la observación. El experimento de Cabrera nunca más observó un monopolo. Sus experimentos posteriores tampoco. Conforme pasan los años, hasta el mismo Cabrera reconoce que las posibilidades de que su primera observación fuera un monopolo disminuyen.

 “We never again saw an event like this one in any of the individual instruments. It seemed less and less likely that the one event we saw was a monopole.” Blas Cabrera.

¿Por qué el interés en buscar monopolos magnéticos? Porque surgen en la mayoría de las extensiones del modelo estándar a alta energía por una razón matemática (topológica) bastante general. Si a alta energía tenemos una teoría gauge con un grupo de simetría G que a baja energía está rota, con una vacío con menor simetría, sea el grupo cociente G/H, entonces existen soluciones no lineales de la teoría, llamadas solitones o defectos, cuando los grupos de homotopía fundamentales son no triviales, πn(G/H)≠0. Estos defectos son paredes de dominio (rizos o kinks) para n=0, vórtices (cuerdas) para n=1, y monopolos para n=2. Sabemos que el modelo estándar es una teoría “efectiva” y que debe haber una teoría más simétrica a mayor energía de la que se ha alcanzado hasta el momento en los aceleradores de partículas en la Tierra. Por ello, en la gran explosión (el big bang) tuvieron que generarse gran número de monopolos magnéticos y quizás uno de ellos atravesó el detector de Cabrera. Su experimento y otros similares permite acotar la densidad de monopolos primordiales remanentes tras la gran explosión, por eso su trabajo, aunque conduzca a resultados negativos, es muy importante para los físicos teóricos.

Los interesados en más información sobre el experimento MoEDAL disfrutarán con el siguiente vídeo explicativo.

A principios de los 1990, Cabrera cambió ligeramente de tema de investigación y se puso a buscar partículas de materia oscura. Su búsqueda criogénica de materia oscura (CDMS o Cryogenic Dark Matter Search) ha acabado con dos eventos candidatos a finales del año pasado (anuncio oficial y publicación en Science). Espero que la historia no se repita y dichos eventos sean confirmados en un futuro no muy lejano. En este sentido, os recomiendo el vídeo de la estupenda conferencia de Blas Cabrera, “Future of CDMS: SuperCDMS Soudan, SuperCDMS SNOLAB & GEODM DUSEL + iZIP Huge Detector Advance,” KITP, Dec 18, 2009, en el marco del “KITP Miniprogram: Direct, Indirect and Collider Signals of Dark Matter (December 7-18, 2009),” coordinado por Nima Arkani-Hamed, Douglas Finkbeiner, y Neal Weiner.

Por cierto, el padre de Blas, Nicolás Cabrera (1913-1989), que pasó muchos años exiliado en EEU.UU. durante la dictadura que asotó nuestro país, regresó a España y fundó en 1971 el departamento de ciencias físicas en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) donde impartió clases. Cabrera, padre, es considerado el gran impulsor de la física en España desde su vuelta del exilio. El Instituto Nicolás Cabrera, fundado en 1989 en la UAM, lleva su nombre como homenaje.

Qué es un monopolo magnético en un hielo de espín

Los monopolos magnéticos en hielos de espines son perfectamente compatibles con las leyes de Maxwell y de la electrodinámica de los medios continuos. No existen los monopolos magnéticos como objetos (partículas) elementales. En física de la materia condensada se observan configuraciones de campos electromagnéticos que se asemejan a los que produciría un monopolo magnético. Una conferencia de Steven Bramwell (uno de los físicos que observaron por primera vez monopolos magnéticos en hielos de espín el año pasado) ha sido la chispa que ha encendido la mecha del artículo de Bee, “Magnetic Monopoles in Spin Ice,” Backreaction, April 17, 2010, que me voy a permitir el lujo de resumir en español.

La aguja de Coulomb. Coulomb, descubridor de la ley que lleva su nombre para el potencial eléctrico de una carga puntual, también pensó y trató de medir el potencial magnético producido por una carga magnética puntual. Para ello trató de  medir el campo magnético alrededor de la punta de una aguja muy fina. Lo que Coulomb descubrió es que las líneas de campo magnético que atraviesan el interior de la aguja y salen por su punta se cancelan exactamente con las que salen por el cuerpo de la aguja hacia el exterior. El resultado de su experimento es que no hay cargas (fuentes) de campo magnético. Ahora bien, cuando un imán (con dos polos) se rompe en dos trozos obtenemos dos imanes más pequeños (ambos con dos polos). Para “crear” en laboratorio un análogo a un monopolo magnético tenemos que crear algo parecido a la aguja cuyo campo magnético quiso medir Coulomb, deformarla y sumergirla en un pajar de tal forma que lo único que se pueda medir del sistema en su conjunto sea el campo magnético en las puntas de la aguja. Este campo se parecerá al de un monopolo magnético.

Hielos de espines. En el hielo las moléculas de agua se comportan como pequeños tetraedros con un átomo de oxígeno en el centro rodeado por 4 átomos de hidrógeno, dos de los cuales están muy cerca (“pertenecen” a la molécula del agua del oxígeno central gracias a enlaces covalentes, color celeste) y los otros dos están más lejos (“pertenecen” a oxígenos vecinos gracias a “puentes de hidrógeno”, color rojo). Los hielos de espines son materiales que presentan una estructura tetraédrica similar a la del hielo. En lugar de los átomos de hidrógeno hay átomos de titanio o de tierras raras, como el holmio, en los vértices de los tetraedros. Estos átomos metálicos tienen momentos magnéticos que en una configuración tetraédrica sólo pueden apuntar hacia adentro o hacia afuera, como las flechas de la figura. 

Monopolos magnéticos en un plano. Visualizar monopolos magnéticos en 3D parece más difícil que hacerlo en 2D, como se muestra en la figura de abajo izquierda. Las flechas son imanes y cada cuadrado debe tener dos flechas en sus vértices apuntando hacia adentro y dos flechas apuntando hacia afuera. En esta configuración un defecto consiste en invertir la dirección de una flecha (figura de abajo centro). Este defecto equivale a la aparición de un imán con dos polos, un polo norte (rojo) con tres flechas apuntando al centro del cuadrado y un polo sur (verde) con tres flechas apuntando hacia afuera. La medida del campo magnético producido por esta configuración muestra que es equivalente al producido por un imán con dos polos. La figura de abajo derecha muestra lo que pasa cuando estiramos el imán cambiando la dirección de la flecha superior derecha del polo sur (verde). Los polos se separan. Aplicando este procedimiento en reiteradas ocasiones podemos separar los polos una distancia suficientemente grande como para que el campo magnético alrededor de uno de dichos polos no se vea afectado por el otro polo y se comporto como un monopolo magnético.

En un hielo de espín real se producen varios defectos simultáneamente que se observarán como múltiples monopolos que estarán conectados entre sí por el equivalente a varias agujas de Coulomb deformadas. De hecho, cada dos monopolos de carga opuesta está conectado por una aguja de Coulomb, como muestra la figura de abajo (donde sólo se han dibujado algunas agujas, el lector puede dibujar muchas más). Esta multiplicidad de conexiones entre los monopolos opuestos es lo que nos permite afirmar que ya no están conectados entre sí los monopolos que inicialmente lo estaban, por lo que podemos considerarlos como monopolos libres que pueden moverse de forma independiente. La aguja queda “oculta” en el pajar y los físicos experimentales pueden medir tranquilamente los defectos como monopolos magnéticos.

Monopolos magnéticos en una red hexagonal de nanoimanes observados a temperatura ambiente con un microscopio de fuerza magnética

Los monopolos magnéticos se observaron el año pasado en hielos de espines temperaturas cercanas al cero absoluto. Investigadores del Imperial College de Londres han logrado observar monopolos magnéticos a temperatura ambiente en un material que presenta nanoimanes distribuidos en una estructura cristalina hexagonal. Los nanoimanes han sido observados gracias a un microscopio de efecto túnel que utiliza una sonda magnética. Un trabajo espectacular que nos relatan los propios investigadores en un vídeo que ofrece la web del Imperial College y que hay que ver. El vídeo lo he visto citado en PhysOrg.com (en español en Axxon.com.ar). El investigador principal, Will Branford, y el primer autor, Sam Ladak, “nos explican cómo funcionan los imanes y por qué motivo están tan emocionados por su nuevo descubrimiento.” El artículo técnico es S. Ladak, D. E. Read, G. K. Perkins, L. F. Cohen, W. R. Branford, “Direct observation of magnetic monopole defects in an artificial spin-ice system,” Nature Physics, Advance online publication, 11 April 2010. Como curiosidad, la información suplementaria incluye una animación en PDF. ¿Animación en PDF? Un fichero con una imagen en cada página de tal forma que si pasas las páginas rápidamente logras el mismo efecto que una animación.

Los monopolos que se observan en hielos de espines no son partículas elementales como los monopolos magnéticos libres predichos por Dirac en 1931. Más bien son defectos móviles en el material que se comportan de forma efectiva como monopolos magnéticos. Son análogos en física de la materia condensada a los monopolos magnéticos predichos por Dirac. El material estudiado es una red hexagonal de nanoimanes de cobalto, cada uno con dos polos (norte y sur). En un vértice de esta red confluyen tres polos (tres nortes, tres sur, dos nortes y un sur, o dos sur y un norte). Obviamente, esta configuración es inestable y uno de los nanoimanes espontáneamente se invierte, conduciendo a la generación de polos (norte o sur) que se mueven por los vértices de la red. En ciertas circunstancias, estos defectos móviles en el material (puntos “gordos” en naranaja y azul en la figura de arriba) se comportan como monopolos magnéticos. En el material, siempre hay el mismo número de monopolos norte y monopolos sur, pero cuando están separados el campo magnético efectivo que los investigadores han medido con un microscopio de fuerza magnética es del todo similar al que produciría un monopolo magnético aislado. Un gran trabajo técnico, sin lugar a dudas.

Miden la carga magnética de monopolos en cristales de hielo de espines con sorprendente precisión

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En “Monopolos magnéticos nanométricos observados en cristales de hielo de espines,” 3 Septiembre 2009, nos hicimos eco de un trabajo de Bramwell et al. publicado en ArXiv, “Magnetic Charge Transport,” sobre monopolos magnéticos en física del estado sólido. Dicho trabajo se publica hoy en Nature con un nuevo título y algunos cambios menores, “Measurement of the charge and current of magnetic monopoles in spin ice,” Nature 461: 956-959, 15 October 2009. El artículo viene acompañado de una explicación para legos de Shivaji Sondhi, “Condensed-matter physics: Wien route to monopoles,” Nature 461: 888-889, 15 October 2009.

El artículo de Bramwell et al. presenta la primera determinación (indirecta) de la carga magnética de los monopolos que se observan en cristales de hielo de espines. La carga magnética de un monopolo es similar a la carga eléctrica para un electrón. La medida se basa en el efecto de Wien, el incremento de la conductancia de un electrolito bajo campos eléctricos fuertes. Para ello los autores han seguido un camino muy ingenioso. Han implantado muones (una especie de electrones de mayor masa que son inestables) en el material. Estos muones decaen emitiendo positones (antielectrones) que “recuerdan” la polarización de espín de los muones. La relajación de estos positones se relaciona directamente con la evolución temporal del campo magnético local en el material, permitiendo determinar la carga magnética de los monopolos. El resultado es sorprendente pues coincide casi exactamente con el resultado teórico predicho (basta ver la linealidad mostrada en la figura que abre esta entrada).

Sondhi nos recuerda que “one could aim to build the magnetic counterparts of alternating-current electrical currents,” lo que en muchos foros se ha interpretado como la posibilidad de circuitos de corriente magnética similares a los circuitos de corriente eléctrica. En mi opinión, todavía es muy pronto para realizar dichas afirmaciones. Para los interesados pueden leer a Carlos Dan, “¿Energía eléctrica con imanes?” [artículo que busca portada en Menéame], y Eduardo J. Carletti, “Se observa por primera vez la “magnetricidad”” [que también busca portada de la mano de mezvan]. La fuente, obviamente, son los sensacionalistas de NewScientist con David Shiga, “‘Magnetricity’ observed for first time,” [he de confesar que yo leo NewScientist regularmente y me gusta su amarillismo].