Cómo distinguir estrellas de neutrones y estrellas de quarks con ondas gravitatorias

Dibujo20130725 quark star versus neutron star

Nadie sabe si las estrellas de quarks existen, pero se publica en Science un artículo que muestra cómo distinguirlas de las estrellas de neutrones cuando están en un sistema binario y emiten radiación como un púlsar de milisegundos. Una estrella compacta en rápida rotación emite pulsos de radiación de forma periódica debido a su intenso campo magnético. Los sistemas binarios formados por dos púlsares han permitido verificar de forma indirecta la existencia de ondas gravitatorias gracias a la reducción de su periodo de emisión. Kent Yagi y Nicolás Yunes (Univ. Estatal de Montana, EEUU) afirman que las estrellas compactas en rotación rápida se deforman de forma diferente según su composición y que ello afecta a su emisión como púlsares. El resultado es que el momento cuadripolar de la radiación de los púlsares binarios es diferente entre estrella de neutrones y estrellas de quarks. La variación del periodo de emisión de los púlsares de milisegundos además de permitir comprobar la validez de la relatividad general (Premio Nobel de Física de 1993) también podría permitir descubrir la existencia de las estrellas de quarks. Para ello habría que observar uno que violara, en apariencia, la relatividad general, pero que lo hiciera siguiendo las predicciones de este nuevo artículo. Toda una sorpresa para muchos. El artículo técnico es Kent Yagi, Nicolás Yunes, “I-Love-Q: Unexpected Universal Relations for Neutron Stars and Quark Stars,” Science 341: 365-368, 26 Jul 2013.

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Varias noticias recientes sobre física de partículas que tienes que conocer

Dibujo20130327 BES III - Zc 3900 - possible exotic hadron

Posible observación de un hadrón exótico. BESIII, el colisionador electrón-positrón de Pekín, China, ha observado una resonancia hadrónica con una masa de (3899,0 ± 3,6 ± 4,9) MeV/c² y una anchura de (46 ± 10 ± 20) MeV, en 525 /pb de datos de colisiones que muestran desintegraciones de tipo e+ e → π± Zc(3900) → π+ π J/ψ, con una energía en el centro de masas de 4,26 GeV. BESIII ha sido ajustado para producir la resonancia Y(4260), un hadrón exótico que fue “descubierto” por BaBar en 2005, pero cuya interpretación como hadrón exótico aún no está aceptada por toda la comunidad; recuerda que a los hadrones exóticos se les llama con las letras X/Y/Z. La gran ventaja de BESIII en estos estudios es que puede ajustar la energía en el centro de masas para la producción de una resonancia concreta. La nueva resonancia Zc(3900) aparece en la desintegración de Y(4260). Para los físicos ha sido toda una sorpresa que tenga carga eléctrica. ¿Qué puede ser la nueva resonancia? Podría ser un estado tipo charmonium híbrido, un tetraquark (ccud), una molécula de dos mesones, o incluso algo más exótico, pero por ahora no se puede descartar que se trate de un artefacto de la QCD. Por cierto, BaBar (2007) y Belle (2008) ya observaron una señal de un posible hadrón exótico con una masa similar al que llamaron G(3900). La señal observada por BESIII es muy fuerte, según los autores supera los 8 sigmas. Por supuesto, la interpretación como hadrón exótico dará bastante que hablar en los próximos meses. El artículo técnico es BESIII Collaboration, “Observation of a charged charmoniumlike structure in e+e- to pi+pi-J/psi at \sqrt{s}=4.26 GeV,” arXiv:1303.5949, 24 Mar 2013. Más información sobre la noticia en “Observation of a charged charmoniumlike structure at BESIII,” BESIII News, 26 Mar 2013.

OPERA ha observado su tercer neutrino tau. La colaboración OPERA (unos 140 físicos de 11 países), situada en el Laboratorio de Gran Sasso del INFN (Italia), famosa por un cable mal conectado, ha observado su tercer neutrino tau. El experimento CNGS (CERN to Gran Sasso) envía chorros de neutrinos muónicos hacia varios experimentos en Gran Sasso y OPERA está especializado en medir los neutrinos tau, es decir, la aparición de un neutrino tau por oscilación de un neutrino muónico durante el viaje de 730 km entre el CERN y Gran Sasso. Ya no toma más datos (CNGS ya no funciona), pero se están analizando los datos ya recabados desde 2009 (en colaboraciones como OPERA el análisis de datos es el cuello de botella y no se finalizará hasta mediados 2014). En 2010 y 2012 se obervaron los dos neutrinos tau anteriores y se espera observar otros dos más (unos cinco tras el análisis de todos los datos). El anuncio oficial de la noticia en “OPERA observed a third neutrino tau,” INFN News, 26 Mar 2013; también recomiendo leer a Kathryn Jepsen, “OPERA snags third tau neutrino,” Symmetry Breaking, Mar 26, 2013. También puedes leer “Rare find backs shape-shifting neutrino,” PhysOrg.com, Mar 27, 2013.

La cámara de energía oscura DECam (Dark Energy Camera) es una cámara CCD de 570 megapíxeles (la mayor cámara digital del mundo) que cubre un área de 3 grados cuadrados de cielo (la Luna llena ocupa medio grado cuadrado de cielo). Fue instalada en noviembre pasado en el telescopio Blanco de 4 metros en el Observatorio Inter-Americano de Cerro Tololo, Chile. Forma parte de DES (Dark Energy Survey), un proyecto que se iniciará de forma oficial en septiembre de 2013 cuyo objetivo es obtener en 525 noches de observación (distribuidas en cinco años) un mapa de la distribución de la energía oscura en el universo. DES estudiará unos 200 millones de galaxias y medirá la curva de luminosidad de unas 4000 supernovas de tipo Ia (de ahí que se diga que es un telescopio de energía oscura). DES también estudiará cúmulos galáctivos, las oscilaciones acústicas de bariones (BAO) y los efectos de lentes gravitatorias débiles. Mientras no funciona para el proyecto DES, la cámara DECam es usada para otro tipo de observaciones (búsqueda de asteroides, estudios de galaxias, etc.), como nos cuenta Andre Salles, “Astronomers give Dark Energy Camera rave reviews,” Symmetry, March 27, 2013.

Ya hay explicación del que fue el primer descubrimiento científico del LHC

Dibujo20130315 Anatomy of a proton-proton collision - explanation of the ridge

El 21 de septiembre de 2010 la colaboración CMS hizo publico el primer descubrimiento científico del LHC en el CERN, la existencia de correlaciones inesperadas en la dirección azimutal Δϕ en los sucesos de alta multiplicidad observados en colisiones protón contra protón (p-p) a 7 TeV c.m. (el famoso “ridge” o “cresta” que se observa muy bien para alta pseudorapidez Δη; hoy sabemos que hay una doble “cresta”). El fenómeno fue observado también por ATLAS y ALICE, y en colisiones ión contra ión (Pb-Pb) y protón contra ión (p-Pb); de hecho, hoy se sabe que RHIC observó su existencia en colisiones d-Au y Au-Au en 2004 y 2006, pero en su momento pasó desapercibido. Durante 2012 se han barajado varias explicaciones, pero parece que la más convincente es la ofrecida por los físicos Kevin Dusling y Raju Venugopalan de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU), EEUU. El origen de la “cresta” es una forma sutil de la interferencia cuántica, un estado condensado de color (color glass condensate) predicho en 2002. Más información técnica para físicos en la interesante charla de Kevin Dusling (North Carolina State University), “Long-range angular correlations by strong color fields in hadronic collisions,” Rencontres de Moriond QCD, Mar 15, 2013 [slides].

La explicación para colisiones p-p se presentó en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Evidence for BFKL and saturation dynamics from di-hadron spectra at the LHC,” arXiv:1210.3890, 15 Oct 2012, para colisiones p-Pb en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Explanation of systematics of CMS p+Pb high multiplicity di-hadron data at $\sqrt{s}_{\rm NN} = 5.02$ TeV,” arXiv:1211.3701, 15 Nov 2012, y finalmente la confirmación definitiva en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Comparison of the Color Glass Condensate to di-hadron correlations in proton-proton and proton-nucleus collisions,” arXiv:1302.7018, 27 Feb 2013. La observación original en CMS Collaboration, “Observation of Long-Range Near-Side Angular Correlations in Proton-Proton Collisions at the LHC,” JHEP 1009: 091, 2010 [arXiv:1009.4122].

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BaBar observa un exceso de 3,4 sigmas en ciertas desintegraciones de mesones B

Dibujo20130313 Evidence for an excess of Bbar into Dast tau nutau

En el modelo estándar el campo de Higgs es un doblete escalar, pero podrían ser dos dobletes escalares (modelo 2HDM por Two Higgs Doublet Model), en cuyo caso habría cinco bosones de Higgs, dos de ellos cargados. La búsqueda de bosones de Higgs cargados en Belle y BaBar gracias a la desintegración de mesones B muestra un exceso respecto a las predicciones del modelo estándar con un único Higgs neutro. El último resultado de BaBar, tras analizar 471 millones de eventos BBbar, muestra un exceso de 3,4 sigmas; en realidad, este exceso es combinación de dos excesos individuales uno a 2,0 sigmas en R(D) y otro a 2,7 sigmas en R(D*). Belle tras analizar 657 millones de eventos BBar mostró un exceso similar. Obviamente, puede tratarse de una fluctuación estadística, sin embargo, resulta sugerente que este exceso observado por Belle y BaBar está creciendo poco a poco. La causa aún no es conocida, pues el modelo 2HDM parece que no explica bien el exceso (salvo en una versión con ajuste fino del modelo 2HDM tipo III; el modelo 2HDM tipo II se excluye a más de tres sigmas). Me enteré gracias a Manuel Franco Sevilla (UC Santa Barbara / BaBar collab.), “Evidence for an excess of Bbar to Dast tau nu decays,” Wine & Cheese, Fermilab, 8 Mar 2013 [slides]; el artículo técnico es The BABAR Collaboration, “Measurement of an Excess of B -> D(*) Tau Nu Decays and Implications for Charged Higgs Bosons,” arXiv:1303.0571, 3 Mar 2013. También recomiendo consultar Dana Lindemann (BaBar Collaboration), “Recent BaBar results on BSM Higgs,” Higgs Quo Vadis, Aspen, Mar 11, 2013 [slides].

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Tras dos años de análisis se descubre el secreto de la anomalía W+jj en los datos de CDF del Tevatrón (Fermilab)

Dibujo20130228 Update on dijet mass spectrum in W plus 2jets events

Se han ofrecido muchas explicaciones para la anomalía W+jj observada en los datos del experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab, cerca de Chicago. El otro experimento del Tevatrón, DZero no observó dicha anomalía; CMS y ATLAS del LHC en el CERN tampoco la observaron. Por tanto, la causa debe ser un “error sistemático” en los análisis de este tipo de colisiones. Ha costado dos años de intenso trabajo, basado en tres posibles hipótesis, hasta que se ha descubierto la razón. La técnica de Monte Carlo utilizada para el ajuste de los disparadores (triggers), utilizados en la identificación de los chorros, confunde cierto tipo de ruido de fondo con “supuestos” leptones (fake leptons), sobre todo electrones; reajustando la técnica de selección de eventos la anomalía W+jj desaparece y los datos corresponden a las predicciones del modelo estándar. Dos años de esfuerzos que han valido la pena. Había que encontrar el origen de este “error sistemático” pues podría afectar a otros análisis. ¿Afecta este cambio a otros análisis, como los del quark top o los del Higgs? El efecto es muy pequeño, despreciable en la práctica; así que no será necesario corregir los resultados publicados debido a la identificación errónea de los “supuestos” leptones. Nos cuenta la historia con detalles técnicos M. Trovato (on behalf of the CDF collaboration), “Update on dijet mass spectrum in W + 2jets events,” Wine & Cheese Seminar, Fermilab, Feb 23, 2013. El artículo técnico todavía no ha sido publicado en ArXiv, pero ha sido enviado a Physical Review D.

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Ya han finalizado las colisiones protón-plomo en el LHC del CERN

Dibujo20130211 lhc luminosity plots for 2013 proton-ion run

Las colisiones protón-plomo en el LHC del CERN finalizaron ayer domingo, 10 de febrero, por la mañana, con el fill #3544. Como muestra esta figura se han acumulado 32 inb (inversos de nanobarn) de colisiones en ALICE, otras tantas en ATLAS y CMS, y unos 2 inb en LHCb. Ya no se pasará a modo colisiones (haces estables), pero se seguirán haciendo algunas pruebas técnicas.  El próximo miércoles se iniciará la primera parada larga LS1 (Long Shutdown 1) que durará casi dos años; si todo sale bien se reanudarán las colisiones en diciembre de 2014. Durante la parada LS1 se corregirán varios defectos en el diseño original del colisionador que han impedido alcanzar de forma segura la máxima energía (colisiones a 14 TeV c.m.); hay que recordar que tras el inicio de las colisiones en septiembre de 2008 el LHC sufrió un grave accidente debido a que saltó una conexión eléctrica que provocó un escape de refrigerante y una explosión que dañó un sector de la máquina; tras un año de reparación, se reanudaron las colisiones a finales de 2009 pero a mitad de energía (7 TeV c.m.), aunque en 2012 se logró incrementarla un poco (hasta 8 TeV c.m.). Durante LS1 también se realizará una fase de mantenimiento de la máquina que es independiente de la reparación a realizar y que estaba planificada desde su fase de diseño; se introducirán gran número de mejoras. Fuente de la figura de arriba y de la de abajo.

Dibujo20130211 2013 LHC Injector Schedule

Habrá que esperar hasta Moriond (en marzo) para conocer los primeros resultados tras los análisis de las colisiones protón-plomo (p-Pb). Lo más interesante será la confirmación de la existencia de un estado de la materia llamado condensado cristalino de color (color-glass condensate), que parece la explicación más razonable a l el “ridge” observado en las colisiones Pb-Pb, p-Pb y p-p tanto por CMS como por ATLAS (en este blog puedes leer “ATLAS confirma la observación de CMS del “ridge” en las colisiones protón-plomo,” 21 dic. 2012; “Un fenómeno sin explicación observado en las colisiones de protón contra ión de plomo en CMS del LHC,” 24 oct. 2012).

Dibujo20130211 fill 3544 p-Pb collisions LHC 10-feb-2013

Durante la parada LS1 se seguirán realizando análisis de colisiones para estudiar las propiedades del bosón de Higgs y la posible existencia de nueva física más allá del modelo estándar. Tras Moriond (marzo), donde ATLAS y CMS publicarán de forma separada los análisis del Higgs con todos los datos de 2012, se iniciará una fase de combinación de eventos de ambas colaboraciones, que podría permitir a finales del verano la publicación de análisis combinados con el doble de colisiones. Los próximos meses, aún sin nuevas colisiones, prometen ser apasionantes para la física de partículas en el LHC.

LHCb confirma la medida de CDF para la masa del barión Omega-b menos

Dibujo20130207 Invariant mass distribution for Omega-b-minus

CDF y DZero, los dos experimentos del Tevatrón (Fermilab), difieren entre sí en varios resultados. Destaca la medida de la masa del barión Omega-b menos (bss), formado por un quark bottom y dos extraños. CDF midió una masa de 6054,4 ± 6,8 ± 0,9 MeV/c² y DZero una de 6165 ± 10 ± 13 MeV/c². LHCb del LHC (CERN) ha observado 19 ± 5 eventos y ha medido 6046 ± 2,2 ± 0,6 MeV/c², que confirma el resultado de CDF, pero se diferencia del de DZero en 7 sigmas. ¿Por qué DZero midió una masa con tanto error? La señal que observó (18 ± 5 eventos) no parece que corresponda a una fluctuación estadística, por lo que debe haber algún error sistemático responsable de que la señal se desplazara unos 115 MeV/c² hacia arriba. La nueva medida se ha publicado en LHCb collaboration, “Measurement of the Λ_b^0, Ξ_b^- and Ω_b^- baryon masses,” arXiv:1302.1072, 5 Feb 2013; las anteriores son DZero Collaboration, “Observation of the doubly strange b baryon Omega_b-,” Phys. Rev. Lett. 101: 232002, 2008 [arXiv:0808.4142], y CDF Collaboration, “Observation of the Omega_b^- and Measurement of the Properties of the Xi_b^- and Omega_b^-,” Phys. Rev. D 80: 072003, 2009 [arXiv:0905.3123].

Dibujo20130207 Invariant mass - tevatron - lhc - Omega-b-minus

Dibujo20130207 omega b decay

Esta figura y más información en Tommaso Dorigo, “What’s The Omega_b Mass? LHCb Confirms CDF, DZERO Way Off,” AQDS, Feb 7, 2013

¿Qué se sabe sobre los gluones dentro de un núcleo de plomo?

Dibujo20130129 ratio gluons lead to deuterium - theoretical models

Cuando no hay experimentos específicos y hay muchas teorías diferentes con resultados dispersos, debemos afirmar que no sabemos (casi) nada, y si al combinarlos la incertidumbre ronda el 100% debemos afirmar que no sabemos nada de nada. Esta figura ilustra muy bien lo poco que sabemos sobre la distribución de los gluones dentro de un núcleo pesado. Muestra siete estimaciones teóricas del radio “gluónico” de un núcleo de plomo (nDS (NLO), HKM, Sarcevic, EKS98, Armesto, FGS y HIJING). Cada modelo teórico ofrece un resultado diferente (la región de interés está marcada con la flecha roja). Aún no hay medidas experimentales, por lo que podemos afirmar sin rubor que no se sabe nada sobre los gluones dentro de un núcleo de plomo. ¡Nada de nada! Obviamente, no estarán de acuerdo conmigo los que han desarrollado estos modelos teóricos que afirmarán que el suyo es el “correcto,” pero para todo físico una incertidumbre del 100% equivale a no saber nada. Me he enterado gracias a Rolf Ent (Jefferson Lab), “Probing the Quark Sea and Gluons: the Electron-Ion Collider Project,” Wine & Cheese Seminar (Joint Experimental-Theoretical Seminar), Fermilab, 11 Jan 2013 [slides]. Su charla reivindica la necesidad de un colisionador de electrones (polarizados) contra iones pesados (Electron-Ion Collider, EIC) que estudie la materia nuclear. Más info sobre su diseño en S. Abeyratne et al., “Science Requirements and Conceptual Design for a Polarized Medium Energy Electron-Ion Collider at Jefferson Lab,” JLAB-ACC-12-1619, arXiv:1209.0757. La construcción se debería iniciar en 2019 y acabar en 2024. Con lo que la toma de datos se realizará a partir de 2025 (si se cumplen todos los plazos). 

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ATLAS confirma la observación de CMS del “ridge” en las colisiones protón-plomo

Dibujo20121220 Two-dimensional correlation functions for peripheral events -left- and central events -right

En “Un fenómeno sin explicación observado en las colisiones de protón contra ión de plomo en CMS del LHC,” hablé de un fenómeno que observó CMS en la prueba piloto realizada en septiembre de 2012 de colisiones de protón contra núcleo de plomo (p-Pb) a 5,02 TeV c.m. en el LHC (CERN). Hoy se publica que ATLAS ha confirmado el mismo fenómeno utilizando los datos de dicha prueba piloto, es decir, correlaciones entre pares de partículas en el diagrama que muestra el ángulo azimutal relativo (∆φ) versus la pseudorapidez (∆η); recuerda que la pseudorapidez se obtiene a partir del ángulo polar (en coordenadas esféricas) mediante un cambio de variable. Este “ridge” observado también en colisiones Pb-Pb en CMS, ATLAS y ALICE, aún no tiene una explicación convincente. El nuevo artículo técnico es ATLAS Collaboration, “Observation of Associated Near-side and Away-side Long-range Correlations in sqrt(s_NN)=5.02 TeV Proton-lead Collisions with the ATLAS Detector,” arXiv:1212.5198, 20 Dec 2012.

 

Nota dominical: La curiosa historia de la cromodinámica cuántica (QCD)

Dibujo20121208 energy dependence of strong interaction - QCD coupling

“It is well known that theoretical physics is at present almost helpless in dealing with the problem of strong interactions. We are driven to the conclusion that the Hamiltonian method for strong interactions is dead and must be buried, although of course with deserved honour.” Lev D. Landau (c. 1960).

Muchos físicos teóricos parecen desesperados porque los experimentos no encuentran “nueva física” más allá del modelo estándar. Quizás este es el mejor momento para recordar el estado de la física de partículas en 1961. La teoría cuántica del campo electromagnético, la electrodinámica cuántica (QED), era todo un éxito, pero utilizaba un procedimiento matemático, la renormalización, que nadie entendía y que disgustaba incluso a sus descubridores (que la calificaban de “procedimiento para esconder los infinitos debajo de la alfombra”). La versión V-A de la teoría de Fermi para la interacción débil también era un éxito a nivel experimental, pero a nivel teórico era inconsistente para energías altas (aunque no fueran alcanzables en los experimentos). La interacción fuerte estaba en un estado deplorable, más allá de la clasificación de los hadrones de Gell-Mann y Zweig basada en la idea de los quarks (puras entelequias matemáticas). La mayoría de los físicos teóricos rehuía de las teorías gauge para la interacción fuerte (cuyo único éxito era la QED) y preferían ideas como el bootstrap o la democracia nuclear en el contexto de la teoría de la matriz S.

Todo se clarificó a finales de los 1960 gracias a los experimentos. La colisión de electrones de alta energía contra núcleos atómicos y nucleones (protones y neutrones) demostró que estaban compuestos de partículas (partones les llamó Feynman) que no interaccionaban entre sí. Lo más obvio era que los partones fueran los quarks, pero nadie entendía cómo era posible que a cortas distancias (o energía y momento grandes) se comportaran como partículas libres, mientras que a distancias más grandes (o energía y momento más pequeños) estuvieran ligados por una interacción muy fuerte. La conjetura entre los físicos teóricos era que las teorías cuánticas de campos no podían ser asintóticamente libres. Coleman y Gross propusieron demostrar esta conjetura de forma general a dos de sus estudiantes de doctorado, Politzer y Wilczek, quienes bajo la atenta guía de Gross demostraron en 1973 que la conjetura era falsa (por ello recibieron el Premio Nobel de Física en 2004). Las teorías de Yang-Mills no abelianas son asintóticamente libres (la QED es la excepción, por ser abeliana).

La teoría de la interacción fuerte, la cromodinámica cuántica (QCD), es asintóticamente libre porque los gluones tienen carga de color, mientras que la QED no lo es porque los fotones son neutros para la carga eléctrica. La teoría de la relatividad de Einstein implica que el vacío de una teoría cuántica de campos cuyos bosones gauge no tengan masa cumpla la relación εµ = 1 donde ε es la permitividad eléctrica, µ es la permeabilidad magnética y se ha usado c=1 (la expresión dimensional es εµ = 1/c²). En la QED el apantallamiento de la carga eléctrica implica que ε > 1, por lo que el vacío de la QED actúa como un material diamagnético (µ < 1). En la QCD los gluones tienen dos colores y actúan como dipolos permanentes de color (µ > 1), por lo que la teoría predice el anti-apantallamiento de la carga de color (ε < 1); este resultado se da para 3 colores si el número de sabores (o generaciones) de quarks es menor de 17.

En 1972, Fritzsch y Gell-Mann mencionaron la posibilidad de que la teoría de los gluones fuera no abeliana, aunque el nombre de cromodinámica cuántica aparece por primera vez en un artículo de Fritzsch, Gell-Mann y Minkowski en 1975 (una nota a pie de página sugiere “A good name for this theory is quantum chromodynamics”).

Referencias para profundizar.

[1] Gerhard Ecker, “Quantum Chromodynamics,” Lectures given at the 2005 European School of High-Energy Physics, Kitzbuehel, Austria, Aug. 21 – Sept. 3, 2005 [arXiv:hep-ph/0604165].

[2] Gerhard Ecker, “The Shaping of Quantum Chromodynamics,” Quark Confinement and the Hadron Spectrum X, Munich, Oct. 8, 2012 [slides – pdf].