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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La búsqueda de las axiones como candidatos a materia oscura

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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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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.

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

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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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Ciencia en el Bulebar: “La atribulada existencia del Bosón de Higgs”

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Ayes martes, 22 de octubre, se inauguraron las charlas Ciencia en el Bulebar, un bar en Alameda de Hercules 83 (Sevilla), con la conferencia de Enrique F. Borja, “La atribulada existencia del Bosón de Higgs,” [30 minutos]. Enrique es famoso por que sus charlas son muy divertidas, y por sus blogs “Cuentos Cuánticos” y “Es extraño…” Radio Alcosa lo emitió en directo con muy buen sonido (el podcast ya está disponible) y puedes ver las transparencias de Enrique en su web. También fue emitido por youtube, aunque la imagen y el sonido no son tan buenos.

Por cierto, los responsables de la iniciativa son Clara Grima y Alberto Márquez, colaborando la Universidad de Sevilla, Radio Alcosa y el bar Bulebar. Espero que disfrutes de la charla y no olvides visitar el Bulebar si pasas por Sevilla.

Oppenheimer, Dirac y la protohistoria del antiprotón

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Bevatrón, inaugurado en 1955, aceleraba protones a 6,5 GeV.

Robert Oppenheimer propuso en 1930 que el antielectrón predicho por la ecuación de Dirac en 1928 no era el protón, como sugirió el propio Paul Dirac en 1930, por su diferencia de masa y porque el átomo de hidrógeno sería inestable. Más aún, propuso que debía existir un antiprotón asociado al protón. Tras el descubrimiento del positrón (antielectrón), Dirac recibió el Premio Nobel en 1933 y en su Discurso Nobel acabó diciendo que debía existir un antiprotón asociado al protón. El antiprotón fue descubierto en los experimentos en 1955 por Emilio Segrè y Owen Chamberlain (ambos de la Universidad de California, Berkeley), que recibieron por ello el Premio Nobel en 1959. Permíteme recordar la protohistoria del antiprotón.

La ecuación relativista para el electrón propuesta por Paul Dirac en 1928 predecía la existencia de estados de energía negativa [1]. Cada estado del electrón de energía positiva +E estaría acompañado de un estado de energía negativa −E. Como un electrón en movimiento acelerado emite radiación y pierde energía, todo electrón con energía positiva acabaría alcanzando una energía negativa y el proceso continuaría ad infinitum. Este hecho no se observa en los experimentos.

Para resolver este problema, Dirac recurrió en 1929 al principio de exclusión de Pauli e introdujo el llamado “mar de Dirac” [2]. En el estado de “vacío” de su ecuación, todos los estados de energía negativa están ocupados, por lo que no se observan electrones de energía negativa en los experimentos. Pero pueden existir “huecos” en este “mar” de estados de energía negativa, que se observan como una partícula de energía positiva pero con carga positiva. La única partícula conocida entonces con carga positiva era el protón, por lo que Dirac tituló su artículo, que apareció en la revista el 1 de enero de 1930, como “Una teoría de electrones y protones” [2], aunque reconocía que no tenía una explicación física del porqué la masa de los protones y los electrones es diferente.

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Descubrimiento del antiprotón.

Robert J. Oppenheimer, tras leer el artículo de Dirac, escribió una crítica titulada “Sobre la teoría de electrones y protones” que apareció en Physical Review dos meses más tarde [3]. Por un lado, si todos los estados de energía negativa estaban ocupados, no le parecía razonable que existieran en el universo tantos protones como electrones. Además, la partícula de carga positiva predicha por Dirac se podría aniquilar con un electrón produciendo dos fotones, con lo que el átomo de hidrógeno sería inestable. Por todo ello Oppenheimer predijo que si el electrón tenía estados de energía negativa ocupados, entonces el protón también tendría que tenerlos. Aunque no utiliza de forma explícita la palabra “antiprotón” (dado que hasta entonces nadie había utilizado la palabra “antielectrón”), el párrafo final del artículo de Oppenheimer sugiere la existencia del antiprotón y en la mayoría de los libros de historia de la física de partículas aparece como el “padre” del antiprotón.

En la wikipedia pone que Dirac predijo (o intuyó) el antiprotón en su Discurso Nobel en 1933 [4]. Su párrafo final predice la existencia de la antimateria: “Si aceptamos la simetría completa entre los estados de carga eléctrica positiva y negativa como una de las leyes fundamentales de la Naturaleza, podría ocurrir que fuera un accidente que en la Tierra (y en el Sistema Solar) predominen los electrones y los protones. Puede que haya estrellas hechas de positrones y “protones negativos”. Puede incluso que la mitad de las estrellas sean así.” Los protones negativos de Dirac es lo que hoy en día llamamos antiprotones. Dirac sugiere que puede existir la antimateria, antiátomos formados por antiprotones y positrones.

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Emilio Segré, Owen Chamberlain y tres colegas.

El descubrimiento del antiprotón fue publicado el 1 de noviembre de de 1955 en Physical Review Letters [5]. Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand y Thomas Ypsilantis, miembros del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, observaron una nueva partícula subatómica, idéntica al protón, pero con carga eléctrica negativa en lugar de positiva. Utilizaron el recién inaugurado Bevatrón, entonces el acelerador de partículas más potente del mundo, capaz de acelerar protones hasta energías de unos 6,5 GeV. La observación de un antiprotón requería crear un par protón-antiprotón, es decir, una energía superior al doble de su masa, unos 2 GeV. En el Bevatrón se decidió hacer incidir un haz de protones de 6,5 GeV en un blanco de neutrones estacionario.

En 1954, Ernest O. Lawrence, inventor del ciclotrón en 1931, Premio Nobel de 1939, decidió construir el Bevatrón en su Laboratorio de la Universidad de California en Berkeley para buscar el antiprotón. Este laboratorio, tras su muerte en 1958, fue rebautizado Laboratorio Lawrence Berkeley. Dos equipos decidieron buscar el antiprotón de forma independiente. Un equipo dirigido por Edward Lofgren y el otro por Owen Chamberlain y Emilio Segrè. Este último descubrió el antiprotón en 1955 y sus líderes obtuvieron el Premio Nobel en 1959. Pero relatar los detalles será objeto de una futura entrada.

Coda final. Un día como hoy en 1984, 20 de octubre, falleció P.A.M. Dirac. Por ello esta entrada participa en la XLV edición del Carnaval de la Física, alojado en esta ocasión por Cuantos y cuerdas.

Referencias

[1] P. A. M. Dirac, “The Quantum Theory of the Electron,” Proc. R. Soc. Lond. A 117: 610-624, 01 Feb 1928 [pdf gratis]; P. A. M. Dirac, “The Quantum Theory of the Electron. Part II,” Proc. R. Soc. Lond. A 118: 351-361, 01 Mar 1928 [pdf gratis].

[2] P. A. M. Dirac, “A Theory of Electrons and Protons,” Proc. R. Soc. Lond. A 126: 360-365, 01 Jan 1930 [pdf gratis].

[3] J. R. Oppenheimer, “On the Theory of Electrons and Protons,” Physical Review 35: 562-563, 01 Mar 1930 [pdf gratis].

[4] P. A. M. Dirac, “Theory of electrons and positrons,” Nobel Lecture, 12 Dec 1933 [pdf gratis].

[5] Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand, and Thomas Ypsilantis, “Observation of Antiprotons,” Phys. Rev. 100: 947–950, 01 Nov 1955 [pdf gratis].

Francis en @TrendingCiencia: Philip Anderson, el Higgs y la “higgsogénesis”

Dibujo20120711 philip anderson - celebs lists com imagesAlgunos 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].

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Francis en Trending Ciencia: Asuntos de familia del Higgs

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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].

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Francis en Trending Ciencia: El Higgs invisible

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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.

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