Observatorio de neutrinos IceCube hará importante anuncio

Actualización: ver Evidencia de neutrinos astrofísicos en IceCube y más sobre IPA13.

IceCube es un observatorio de neutrinos en el Polo Sur. Consiste en más de 5000 detectores instalados en un arreglo cúbico de 1km por lado a una profundidad de 2.5 km bajo el hielo antártico. IceCube es el más grande observatorio de neutrinos jamás construido. Finalizado a fines de 2010, IceCube ha estado a la caza de neutrinos de fuentes astrofísicas (distintas del Sol).

Hace menos de un mes científicos anunciaron la observación de dos eventos que llamaron “Bert” y “Ernie” con energías de 1 PeV (un peta electron volt es más de 100 veces la energía de los protones del LHC que tienen algo menos que 10 TeV), sin embargo hasta ahora se desconoce el origen de estos dos eventos.

La tarde de ayer se anunció la observación de otros 26 eventos de alta energía (mayor a 50 TeV) y hoy está programado un anuncio especial (9:30am, hora de Chicago). Ya hay varios rumores y se dice que será importante para la física de neutrinos. No habrá transmisión en vivo, pero a través de Twitter estaré contando qué ocurre en directo desde Madison, Wisconsin donde estoy participando en el IceCube Particle Astrophysics Symposium.

Mi apuesta es que detectaron una fuente astrofísica de neutrinos, lo que sería un tremendo descubrimiento ya que hasta ahora las únicas fuentes astrofísicas conocidas son nuestro Sol y un par de eventos observados desde la explosión de supernova 1987A.

¿Qué es la radiación de fondo de microondas?

Dos hemisferios del globo de la radiación de fondo de microondas.

La teoría big bang nos dice que el universo comenzó con una gran explosión donde tiempo, espacio y todas las partículas fundamentales (además de sus correspondientes antipartículas) se originaron. Debido a las altas temperaturas en los primeros momentos después del big bang, el universo era una sopa caliente de partículas cargadas (plasma) en la cual las partículas de luz (los fotones) interactuaban constantemente con este plasma por lo que el universo era opaco. Este estado se mantuvo durante los primeros 380.000 años del universo.

Al expandirse lo suficiente, el universo se enfrió permitiendo que protones y electrones se unieran para formar los primeros átomos correspondiente a materia neutra que conocemos hoy en día (los átomos tienen igual número de carga positiva y negativa). Al no haber carga eléctrica neta, los fotones lograron por primera vez propagarse libremente sin interactuar con las partículas cargadas que ahora formaban sistemas neutros (los átomos). Los físicos llaman desacoplamiento a esta separación entre materia y luz. Los fotones emitidos en el desacoplamiento son los que hoy nos llegan en forma de microondas y se denomina radiación de fondo de microondas o CMB (por la sigla en inglés de Cosmic Microwave Background). La importancia del CMB radica en que corresponde a luz emitida en la etapa más temprana del universo a la que tenemos acceso ya que antes del desacoplamiento el universo era opaco. Es decir, el CMB corresponde a una imagen de nuestro universo cuando sólo tenía 380.000 años de edad. Es importante destacar que acá estamos haciendo uso de la palabra luz en forma genérica para referirnos a los fotones de microondas cuya frecuencia es mucho más baja que la luz visible, como discutimos hace un tiempo al hablar de ondas electromagnéticas.

Descubrimiento

Wilson y Penzias con la famosa antena de fondo

En 1948 los físicos George Gamow, Ralph Alpher, y Robert Herman postularon la existencia del CMB como una distribución homogénea de radiación la cual debería medirse desde cualquier dirección del cielo y que de verificarse su existencia validaría la teoría del Big Bang. Casi 20 años más tarde, en 1964, y de forma completamente independiente dos astrónomos de Laboratorios Bell llamados Arno Penzias y Robert Wilson se encontraban probando una vieja antena de microondas que antes se usaba como receptor satelital pero tuvieron un problema: la antena detectaba un molesto ruido de fondo en todas direcciones que interfería con los datos que intentaban obtener. Ante la persistencia del ruido de fondo, se dedicaron a estudiar su origen para poder removerlo de sus observaciones. Descartaron todas las posibles fuentes de este ruido, notaron que aparecía sin importar dónde se apuntara la antena, midieron el ruido a lo largo del año sin notar variaciones. Cuenta la leyenda que una familia de palomas hizo del fondo de la antena su hogar y por lo tanto los detectores estaban cubiertos de “desechos de paloma”, los que fueron limpiados varias veces. Una versión de la historia dice que la familia de palomas fue reubicada pero otra dice que los astrónomos optaron por una solución con un final no tan feliz para las palomas.
Finalmente llegaron a una conclusión extraña pero revolucionaria: el ruido estaba presente en todo el cielo. Esta observación correspondía a una verificación de la predicción de Gamow, Alpher y Herman: la señal molesta detectada por Penzias y Wilson era nada menos que “el eco” del origen del universo. Por este descubrimiento Penzias y Wilson compartieron el Premio Nobel de Física en 1978. La observación del CMB corresponde a uno de los mayores éxitos de la teoría del big bang. Importante es mencionar que al CMB se le llama “eco” a pesar de no tener conexión alguna con sonido, es sólo una analogía.

Inhomogeneidades

El CMB se encuentra distribuido por todo el universo y dado que corresponde a los primeros fotones emitidos luego del desacoplamiento, dichos fotones contienen información acerca del estado de universo en esas etapas tempranas. Una de las características más importantes del CMB es que no es perfecto, es decir, contiene irregularidades que indican que en ciertas regiones del universo había más materia que en otras (regiones rojizas y azuladas en la imagen). Dichas inhomogeneidades fueron cruciales para la evolución de lo que observamos como galaxias y grupos de galaxias ya que pequeñas concentraciones de materia atrajeron gravitacionalmente más materia formando las primeras estructuras del entonces joven universo. De la misma manera que los grumos en una salsa tienden a agruparse, las zonas uno poco más densas que el promedio atrajeron a otras y comenzaron a formar las grandes estructuras en el universo.

Dada la energía de los fotones del CMB, los físicos pueden determinar la temperatura del universo. Penzias y Wilson encontraron que la temperatura actual del universo es de 2.73 K (unos -270°C). Las inhomogeneidades del CMB pueden ser medidas como variaciones de temperatura en diferentes direcciones del cielo, para ello se requieren instrumentos más sensibles que la vieja antena de Penzias y Wilson. Esto fue posible recién a principios de 1990, luego que el satélite COBE fue lanzado al espacio. COBE obtuvo el primer mapa detallado del cielo midiendo con alta precisión las inhomogeneidades del CMB, las que resultaron ser muy débiles pero bien descritas por la teoría. También permitió medir la forma en que se distribuye la radiación verificando la predicción de la teoría del big bang. Además de la primera imagen del CMB, COBE permitió determinar la temperatura del universo con gran precisión, la siguiente figura muestra los datos de COBE y la curva teórica para un universo con una temperatura de 2.725 K. La flecha en la figura muestra el máximo (punto donde la curva deja de subir y comienza a bajar), el cual permite determinar la temperatura. La figura también muestra en nivel de acuerdo entre los datos y la teoría. Este resultado es tan notable que sirvió de inspiración para una de mis viñetas favoritas y se ha transformado en figura de culto. Los científicos que lideraron COBE, John Mather y George Smoot recibieron en 2006 el Premio Nobel de Física.

CMB visto por WMAP (2003)

En 2001, luego del éxito de COBE un nuevo satélite para medir el CMB llamado WMAP fue lanzado, diseñado especialmente para estudiar las inhomogeneidades del CMB. En febrero de 2003 los primeros datos fueron presentados, esta vez la precisión lograda fue mucho más alta y muchas características invisibles para COBE fueron medidas por WMAP. Dichas características han servido para determinar parámetros fundamentales de la evolución cosmológica, como la cantidad de materia oscura y energía oscura, así como también determinó con precisión la edad del universo (13.000 millones de años).

En mayo de 2009, la Agencia Espacial Europea lanzó Planck, un nuevo satélite mucho más moderno que WMAP que ha estado tomando datos los últimos años. En 2010 la primera imagen del cielo fue publicada, sin embargo sólo reportaba el buen funcionamiento del satélite. El 21 marzo 2013 ahora marca un hito en la historia de la cosmología, ya que los primeros resultados científicos fueron analizados y presentados públicamente. De más está decir que la precisión lograda por Planck es tremendamente mayor a la de WMAP, que ahora queda en el pasado junto a COBE. La esperada imagen del CMB vista por Planck es la siguiente:

CMB visto por Planck (2013)

Al igual que las imágenes de COBE y WMAP, las regiones azuladas y rojizas representan regiones en el cielo con temperaturas menores o superiores al promedio. A diferencia de sus antecesores, Planck puede diferenciar regiones en el cielo que difieren en una millonésima de grado.

Los resultados de Planck

La presentación de los resultados de Planck ha tenido a los físicos y cosmólogos comiéndose las uñas por meses. El motivo es que la imagen del cielo en microondas contiene una cantidad enorme de información que puede ser extraída. Planck reveló varias sorpresas y confirmó resultados anteriores incluyendo la teoría del Big Bang:

Edad del universo: Planck determinó la llamada constante de Hubble que permite estimar la edad del unierso, el que resultó ser más viejo de lo que se pensaba. De acuerdo a los datos de Planck nuestro universo tiene 13.81 ± 0.05 miles de millones de años.

Receta cósmica: el CMB también permite determinar el contenido del universo o como algunos le llaman “la receta” para nuestro universo. Con respecto a la información que teníamos antes de Planck, ahora se encuentra menos Energía Oscura y más Materia Oscura, también el contenido de materia ordinaria (que los físicos llaman bariónica) ha aumentado. Estos números son muy importantes ya que son clave para comprender la evolución del universo.

Neutrinos estériles: uno de los números más esperados por los físicos de partículas es el llamado N_eff que indica (aproximadamente) el número de neutrinos que había justo después del Big Bang. El modelo estándar señala que N_eff =3, sin embargo observaciones cosmológicas en años recientes parecen favorecer N_eff =4. Además varios resultados anómalos en física de neutrinos han motivado la idea de que hay más de tres neutrinos. Esos neutrinos extra se denominan neutrinos estériles y constituyen hoy uno de los campos más activos en física de neutrinos. Planck reveló un rotundo N_eff = 3.20±0.23, es decir, Planck favorece al modelo estándar y trae dolores de cabeza a los entusiastas de los neutrinos estériles.

Confirmación del modelo: uno de los resultados más notables (al mismo tiempo aburrido) es que los datos de Planck se ajustan a la perfección al modelo cosmológico actual llamado ΛCDM. Notable porque indica que el modelo funciona a la perfección; aburrido porque es cuando los modelos no funcionan que la naturaleza está diciéndonos que hay algo que no entendemos. Los datos de Planck muestran que a pequeña escala todo parece funcionar de acuerdo al modelo ΛCDM.

Anomalías: a pesar de que a pequeña escala el modelo funciona muy bien, cuando se estudian los datos a gran escala los científicos de Planck se encontraron con una sorpresa: algunas regiones más frías y más calientes que deben estar distribuídas aleatoriamente en el cielo parecen estar alineadas. Este resultado ya había aparecido en los datos de WMAP pero se pensaba que era un error instrumental, ahora que Planck también lo ha observado se refuerza la idea de que podría deberse a un fenómeno fisico real que permanece sin explicación satisfactoria.

El cielo en un óvalo

Mucha gente se pregunta por qué la imagen del cielo aparece con la forma de un óvalo, lo cual típicamente dificulta su interpretación. El motivo es que mirar el cielo a nuestro alrededor es equivalente a mirar la superficie interior de una esfera desde el centro (hacia afuera), por lo que al proyectar una esfera en un plano (para poder mostrar en dos dimensiones una imagen tridimensional) se obtiene el familiar óvalo mostrado en las imágenes de arriba. Esto es lo mismo que ocurre cuando miramos un mapamundi, en el que un mapa ovalado muestra toda la superficie de la Tierra.

Este globo del CMB es bastante famoso, hace tiempo noté que está presente incluso en el departamento de Sheldon y Leonard en la serie The Big Bang Theory, en la cual ha aparecido George Smoot, uno de los líderes de COBE y ganador del Premio Nobel 2006.

Detalles más técnicos acerca del resultado de Planck pueden verse en artículo oficial enviado a publicar. También recomiendo la discusión de Francisco Villatoro y el resumen en Cuentos Cuánticos.

Imágenes: NASA, ESA, CBS.

Premio Nobel de Física 2012

Esta mañana el Comité Nobel ha anunciado los galardonados con el Premio Nobel de Física de este año. Los ganadores son Serge Haroche y David Wineland “por sus revolucionarios métodos experimentales que han permitido medir y manipular systemas cuánticos individuales”. Haroche trabaja en College de France, en París, Francia y Wineland trabaja en National Institute of Standards and Technology en Colorado, EEUU.

David J. Wineland y Serge Haroche

Varias veces hemos discutido en este blog cómo las leyes de física son muy diferentes a escalas microscópicas, la física cuántica gobierna el comportamiento de átomos y partículas fundamentales. Los trabajos de Haroche y Wineland han permitido explorar el mundo cuántico con sus experimentos. Haroche ha perfeccionado los métodos para atrapar fotones (partículas de luz) entre dos espejos para luego lanzar partículas a explorar lo que los fotones hacen en esa trampa. De esta manera, Haroche y sus colaboradores han logrado medir en el laboratorio las propiedades de los fotones atrapados, las cuales están en perfecto acuerdo con la teoría cuántica. Wineland, por otro lado, ha diseñado trampas de iones (núcleos atómicos) mediante campos electromagnéticos, a los cuales luego lanzan fotones para saber cómo se comportan en la trampa. De esta manera ambos físicos experimentales han logrado manipular sistemas cuánticos con una precisión muy fina, del tal manera que pueden extraerse los secretos de cómo se comportan las partículas a nivel cuántico.

Una de las propiedades muy misteriosas de la física cuántica, es que un sistema se comporta de la manera más extraña posible (para nuestros cerebros macroscópicos), como nos lo ejemplificó Schrödinger, un gato cuántico puede estar vivo y muerto a la vez, y cosas que parecen sin sentido son posibles para estos sistemas. De esta manera, los experimentos de Haroche y Wineland son una versión moderna y en el mundo real (no sólo un experimento pensado) del gato de Schrödinger, básicamente los premiados con el Nobel de este año han reemplazado gatos por iones y fotones. Toda una hazaña experimental y técnica, motivo por el cual sus nombres sonaban hace años como candidatos al premio.

Algunas de las aplicaciones de los trabajos de los premiados de este año incluyen relojes atómicos de alta precisión, muy usados hoy en día en navegación, así como también el desarrollo de dispositivos electrónicos que prometen revolucionar nuestro mundo de a misma forma que alguna vez lo hizo el desarrollo del láser. Los trabajos de Haroche y Wineland también son considerados como pioneros para el desarrollo del soñado computador cuántico, un computador que tendría tanto poder de cálculo, rapidez y almacenamiento que harán ver nuestra actual tecnología como ahora vemos aquellos computadores que usaban transistores a tubo. Mediciones de alta precisión en astrofísica también se beneficiarían de la tecnología desarrollada para estudiar sistemas cuánticos, incluyendo mediciones de efectos diminutos de la gravedad, como los usados por los observatorios de ondas gravitacionales. Para detalles más técnicos del trabajo de los premiados recomiendo el artículo de Francisco Villatoro.

Personalmente no me dedico a la óptica cuántica, sólo sabía de los trabajos de Wineland porque las trampas de iones pueden ser usadas para hacer mediciones muy precisas, en particular pueden usarse para buscar nueva física. El grupo en el que trabajo se han propuesto métodos para testear los fundamentos de la relatividad usando estas trampas y Wineland sería quien haría estas mediciones. Justamente ayer estuvimos discutiendo sobre los invitados a la conferencia CPT13 del próximo verano que estamos organizando, pero ahora que Wineland ganó el Nobel es probable que deje de hacer investigación por unos años ya que estará ocupado dando charlas por el mundo. Ojalá no sea así.

Levitación acústica

El Laboratorio Nacional Argonne, ubicado en las afueras de Chicago (bastante cerca de Fermilab) ha mostrado un video en el que muestran lo que llaman levitación acústica.

Parece magia, pero como siempre: es mejor que magia, es ciencia! En el post anterior discutíamos ondas gravitacionales y electromagnéticas, sin embargo existe otro tipo de ondas con las que somos más familiares: las ondas sonoras. El sonido corresponde a la vibración de un medio material que típicamente es el aire, pero también puede ser el agua, la madera, incluso una cuerda (todos alguna vez constrímos ese teléfono con un par de latas conectadas por una cuerda). Como cualquier otra onda, dos ondas de sonido pueden interferirse, es decir, pueden combinarse de tal manera que a en algunos lugares ambas ondas se suman amplificando su amplitud (interferencia constructiva) mientras que en otros lugares ambas ondas se cancelan la una a la otra produciendo no vibración (interferencia destructiva).
El caso de la interferencia destructiva puede parecer extraño porque no es natural que la suma de dos vibraciones produzca no vibración alguna, pero así funcionan las ondas. Si usamos ondas de luz, la interferencia destructiva da origen un fenómeno muy poco intuitivo: luz+luz=oscuridad (esto lo discutiremos en otro post). Los puntos donde las dos ondas se cancelan se denominan nodos y pueden ser visualizados, por ejemplo, usando ondas estacionarias en una cuerda, donde claramente aparecen zonas de máxima vibración (puntos llamados antinodos) y puntos en los que la cuerda no vibra, esos son los nodos. Existen muchos videos que muestran las ondas estacionarias, en particular mi amigo Jorge Pinochet muestra en el video de Ciencia Entretenida a continuación cómo construir tu propio generador de ondas estacionarias.

Los investigadores en Argonne utilizan la misma idea, con dos parlantes emiten ondas sonoras que vibran cerca de 22000 veces por segundo. Como decíamos en el post anterior, los físicos llaman a esto una onda de 22 kilohertz de frecuencia (el prefijo kilo significa mil). Los humanos podemos escuchar ondas sonoras entre los 20 Hz y los 20000 Hz, por lo cual las ondas usadas por los científicos de Argonne no son audibles. Los nodos de las ondas sonoras usadas en el video corresponden a regiones entre los dos parlantes. Además, entre cada nodo el aire vibra fuertemente (antinodo) lo que permite contrarrestar el efecto de la gravedad en pequeños objetos y gotas de líquidos, manteniéndolos en el estado de levitación. Esto puede verse en el video, cuando uno de los objetos se aleja del nodo comienza a vibrar fuertemente porque se acerca a uno de los antinodos.

Como mencionaba en otro artículo, la pregunta obvia es para qué hacer esto. Es simpático, pero esta gente no recibe un sueldo para hacer levitar objetos por diversión, la idea detrás tiene que ver con la elaboración de productos farmacéuticos. Como los investigadores cuentan en la web del laboratorio, al usar un recipiente para sostener un líquido en la elaboración de medicamentos produce efectos no deseados, en particular el contacto con las paredes del recipiente produce la cristalización del medicamento en elaboración. Para evitar el uso de un recipiente, los científicos planean usar este dispositivo de levitación acústica, ya que en este caso los líquidos levitan y no están en contacto con las paredes de recipiente alguno.
Hace un tiempo relataba mi visita a Los Alamos y cómo el proyecto Manhattan llevó a la creación de estos laboratorios nacionales, muchos de los cuales han dejado la investigación para usos bélicos para dedicarse a la ciencia que sólo busca generar conocimiento, desde la cámara a bordo de Curiosity construída en Los Alamos hasta la fabricación de fármacos usando levitación acústica.

Neil Armstrong 1930-2012

A los 82 años de edad murió Neil Armstrong, un héroe para muchos. Personalmente durante mi infancia más que héroe fue un ícono de inspiración hacia la exploración. Tuve esta imagen cuando niño pegada en la puerta de mi habitación y al verla no podía dejar de pensar en lo que significaba confiar en la ciencia que lo llevaría a dar el primer paso en otro mundo, luego de montarse en esa maravilla de la ingeniería llamada Saturno V.

Curiosity dispara sus primeros rayos láser en Marte

Ilustración que muestra a Curiosity en pleno trabajo.

El título suena como ciencia ficción pero lo mejor es que es ciencia real! ¿Te has preguntado alguna vez cómo es que los astrónomos conocen la composición química de las estrellas si nunca han visitado una? La forma de hacerlo es a través de una técnica llamada espectroscopía. Cada vez que un objeto emite luz, ésta acarrea información sobre los elementos químicos que le dieron origen. Cada elemento químico emite luz en determinadas frecuencias (si la luz es visible distintas frecuencias significan distintos colores), las que pueden ser medidas con los instrumentos apropiados, llamados espectrómetros. Así los físicos registraron cuidadosamente la luz particular de cada elemento en el laboratorio y le llamaron espectro, que es equivalente a la huella digital de cada elemento. Cuando un astrónomo observa la luz de una estrella, esta luz llega al telescopio y luego se hace pasar a través de un espectrómetro, con el cual es posible separar la huella digital de cada elemento y así identificar cuáles son los elementos que componen esa estrella.
Esta misma técnica usa Curiosity para estudiar la composición del suelo marciano. Sin embargo las rocas marcianas no emiten luz, para lo cual Curiosity está armado con un poderoso rayo láser que se dispara contra una roca varias veces en pulsos muy cortos, equivalente a encender y apagar una linterna muchas veces muy rápido. Ayer domingo, a casi dos semanas de su aterrizaje en Marte, Curiosity probó esta técnica para calibrar sus instrumentos abordo. El blanco elegido fue una roca en las cercanías de Curiosity del tamaño de un puño que apodaron “Coronación”. El instrumento llamado ChemCam consiste en una cámara con un láser, un telescopio y tres espectrómetros. Recuerdo que hace unos meses en mi visita a Los Alamos vi un poster gigante con detalles sobre la ChemCam ya que es en este laboratorio donde fue construída.

Ilustración del funcionamiento de la ChemCam. El láser es invisible para el ojo humano, el color verde ha sido usado sólo como ilustración.

El láser fue disparado 30 veces en 10 segundos (#1 en la figura) y cada pulso tenía una potencia de un millón de watts (watts es la unidad de potencia, es decir, cuánta energía por segundo se emite, comparar con las ampolletas típicas de 60 watts de nuestras casas). Los electrones que orbitan los átomos (en su estado fundamental) en la roca absorben la enegía del láser (#2 en la figura), lo que los físicos llaman electrones excitados (la palabra excitado se refiere a electrones con más energía, hemos discutido la idea de estados fundamentales vs. excitados en un post anterior). Estos electrones vuelven a su estado de mínima energía emitiendo la luz particular del átomo al que pertenecen. La luz del pequeño flash generada fue captada por el telescopio de la ChemCam (#3 en la figura) y medida por los espectrómetros para determinar los diferentes elementos químicos presentes en la roca. La información ha sido recibida por los científicos y está siendo analizada, mientras que Coronación quedó con una marca de cerca de 1mm diámetro, cuya imagen fue ayer publicada por la NASA.

Composición de imágenes muestra a Coronación y detalles con la huella dejada por el láser de Curiosity.

El líder del equipo científico de la ChemCam declaró que están todos felices por los resultados parciales “obtuvimos un excelente espectro de Coronación” dijo Roger Wiens del Laboratorio Nacional de Los Alamos, “todo el equipo está fascinado y trabajando duro para obtener los resultados. Luego de ocho años construyendo este instrumento, finalmente llegó la hora en que ves que valió la pena”. Los científicos están asombrados con la calidad de los datos obtenidos, los que se ven incluso mejor que los obtenidos durante el diseño de ChemCam.

Cuando el láser es disparado en distintos elementos como aluminio y cobre, y tipos de roca como el basalto, emiten luz con colores característicos.

Por ahora habrá que esperar a los resultados del análisis, mientras podemos seguir maravillándonos con las imágenes que Curiosity nos envía. Y cuando alguien te pregunte dónde están los autos voladores que prometía el futuro, puedes decirle que en este momento hay un robot en la superficie de otro planeta disparando rayos láser… y aunque suene a ciencia ficción eso ocurre hoy!

Imágenes: NASA/JPL, MSL-ChemCam.

Objeto luminoso en el cielo de Chile: voto por un meteoro

vieja imagen de meteoro que según EMOL fue tomada anoche (aunque se ve que es de día)

Actualización: ver más abajo.

Conmoción ha generado hoy en Chile el reporte de un objeto brillante visto en el cielo del norte del país durante la noche de ayer. Reportes iniciales hablaban de una luz brillante que se movía rápidamente cruzando el cielo nocturno, pero con el pasar de las horas ya se habla del “objeto” (sí, entre comillas) y de su “avistamiento”, lo que ha hecho de #OVNI una tendencia en Twitter.
Vamos por partes. Yo no vi el objeto por lo cual se me podría criticar de hablar sin conocimiento, sin embargo discutamos de qué se podría tratar. Por un lado la palabra OVNI se refiere a un objeto volador no identificado, por lo tanto hablar de ovnis no significa necesariamente hablar de pequeñines verdes en su nave espacial, sin embargo el uso del término lleva a confundir a la población que suele referirse a ovnis como el medio de transporte de ET. Además basado sólo en los reportes de anoche, lo observado fue un objeto brillante que cruzaba el cielo por lo tanto no sabemos si en realidad volaba o caía. En conclusión denominarlo ovni es pésimo porque sólo lleva a confundir a la gente.
Por otro lado, veamos qué podría producir una luz brillante que cruza el cielo: mis primeras ideas son un meteoro, basura espacial, un avión.
La última opción ha sido descartada porque la Fuerza Aérea se ha pronunciado al respecto. Además el objeto no fue captado por radar alguno. La primera opción me parece la más obvia (aunque no tiene por qué ser la correcta), ya que se ajusta a los reportes originales. Mucha gente por Twitter esta mañana me hablaba de lo especial que era un evento de este tipo y que por lo tanto no podría ser de origen natural. A esto respondo que meteoros bombardean nuestro planeta todo el tiempo. La mayoría de ellos son demasiado pequeños para producir efectos dramáticos que causen reportes como el de anoche, sin embargo eso no los hace especiales. Debido a su pequeño tamaño, la mayoría de estos cuerpos sólidos (típicamente rocas espaciales) se desintegran en la atmósfera. Cuando un cuerpo sólido atraviesa la atmósfera este se calienta ionizando el aire emitiendo luz, fenómeno denominado meteoro (no meteorito). Esto es algo que puede observarse una noche cualquiera en cualquier lugar y es folclóricamente denominado estrella fugaz (aunque no se trata de una estrella). Si te interesa observar meteoros lo mejor es hacerlo en las horas ante del amanecer. Si este cuerpo sobrevive sin desintegrarse completamente en la atmósfera y llega a la superficie de la Tierra entonces se denomina meteorito. El espacio entre planetas está repleto de rocas y polvo por lo cual no es extraño que algunos se abalancen sobre nuestro planeta. Además cuando un cometa (un bloque de hielo sucio enorme, una gran roca que orbita en torno al Sol) se acerca al Sol ensucia el camino que sigue, dejando restos de polvo el cual puede cruzar la órbita de la Tierra en torno al Sol causando las llamadas lluvias de meteoros, las que están bien estudiadas e incluso sabemos cuándo ocurrirán. La próxima será en agosto, acá una lista de las principales lluvias de meteoros.

Menos comunes que los meteoros son los llamados bólidos que suelen moverse más lento y ser muy brillantes. Aunque menos comunes, sabemos que ocurren de vez en cuando en diferentes lugares del planeta. El video a continuación muestra una colección de videos de bólidos (se recomienda obviar la música)

Si bien los medios consideraron la posibilidad de que se tratara de un meteoro (aunque todos hablaban erróneamente de meteorito), muchas de imágenes de meteoros comenzaron a circular y muchos medios las distribuían sin siquiera confirmar si las imágenes eran reales. La mayoría (si no todas) las mostradas hoy corresponden a meteoros fotografiados en otros lugares y fechas. ¿Dónde queda la seriedad de los medios informativos? Por ejemplo, EMOL en esta nota muestra una imagen que señala fue tomada desde la minera Collahuasi e incluso le da el crédito correspondiente a quien dice ser su autor, sin embargo esa imagen aparece incluso en este sitio de 2010 (no me adhiero al contenido de este sitio, sólo lo menciono como ejemplo para mostrar que esa imagen no puede ser de ayer). Además se ve que la imagen fue tomada de día y el evento de ayer fue en la noche [facepalm].

Una de las cosas más desconcertantes sobre la noticia de hoy es que los medios hablan principalmente del fenómeno en un tono oscuro y misterioso, una vez más confundiendo al lector en busca de información y entregándole sólo una versión sesgada de un fenómeno que sin duda tiene un origen natural dando paso a notas que más que informativas parecen sacadas de una revista de ovniología o de un episodio de los Expedientes Secretos X.
Por ejemplo, diferentes medios en busca de una fuente confiable se dirigieron a diferentes instituciones. La primera fue la oficina nacional de emergencia (ONEMI), cuyo director regional confirmó que varios reportes señalan la “observación de una luz llamativa en el cielo acompañada de un fuerte estruendo”. La siguiente institución consultada fue la Fuerza Aérea, la que descarta que se tratara de alguno de sus aviones. Entonces si se confirma la luz y no es un avión ¿qué nos queda? Llamar a los hombres de negro: la tercera institución consultada fue el Comité de Estudios de Fenómenos Aéreos Anómalos (CEFAA) que depende de la Dirección de Aeronáutica Civil, quienes informaron el inicio de una investigación del “avistamiento” basado en fotografías, filmaciones y declaraciones de testigos. Aquí me hago varias de preguntas: ¿pensaron los medios que esto podría ser un fenómeno natural y no un fenómeno anómalo? De acuerdo a la descripción no veo nada de anómalo en una luz brillante en el cielo, como decía antes, meteoros iluminan nuestros cielos regularmente y existe mucha evidencia al respecto: videos, fotografías, declaraciones de testigos. ¿Por qué asociar un evento común y corriente a algo anómalo? ¿Algún medio pensó en comunicarse con algún astrónomo para consultarle acerca de este fenómeno?
Todo esto hace ver que la opinión de un científico es comúnmente despreciada o ni siquiera considerada. Siempre me quejo del bajo nivel de educación en nuestro país y cómo los medios no ayudan a remediarlo. Los periodistas tienen una enorme responsabilidad ya que sus notas llegan a mucha gente. ¿Por qué no tratar de incluir información útil y no sólo notas amarillistas? Esta mañana mis palabras en Twitter desataron la ira de algunos defensores de ideas ocultas y esotéricas, me dediqué a responder lo más respetuosamente que pude pero se nota que los programas de psíquicos y conspiranoicos han llegado bastante profundo en mucha gente que ve en este fenómeno desde naves alienígenas hasta ataques terroristas (¿supondrán que HAARP también genera meteoros?). Las últimas notas que he visto al respecto muestran imágenes de fenómenos atmosféricos que han causado revuelo a nivel mundial pero que han hecho volar la imaginación de muchos y nada tiene que ver con lo ocurrido anoche en el norte del país, por ejemplo EMOL ha usado esta imagen de un fenómeno producido por el lanzamiento de un misil ruso hace un tiempo.

Personalmente creo que si la gente mirara el cielo con la misma atención que mira la TV se darían cuenta que muchos fenómenos espectaculares ocurren en el nuestra atmósfera, no sólo causados por rocas espaciales sino que también hay muchos fenómenos ópticos que parecen desafiar nuestra comprensión. Por ejemplo, así como existe la famosa foto astronómica del día (APOD) recomiendo una web que recolecta la foto de óptica del día (OPOD), donde pueden verse imágenes increíbles de pilares de luz, halos, auroras y muchos otros.
Es cierto que hay mucho que no conocemos, pero si observamos algo en cielo que no comprendemos deberíamos comenzar a cuestionarnos qué es con lo que sí conocemos antes de saltar a conclusiones sin fundamentos.

Actualización: el director del Comité de Estudios de Fenómenos Aéreos Anómalos (CEFAA) el general (R) Ricardo Bermúdez fue entrevistado por CNN donde no sólo se muestra el poco dominio del tema sino que declara (ver 2:33) que un “astrooooo…astrooooo…fotogramétrico” del Observatorio Cerro Tololo les señala que en base a las características el objeto se trataría de un meteoro. Bermúdez quizo decir astrofotógrafo pero al parecer esa palabra no es muy familiar en su comité. También señala (ver 3:10) que a este organismo no le corresponde hablar sobre astronomía… ¿y estos son los hombres de negro? Me pregunto para qué tienen astrónomos asesores si no pueden referirse al respecto. La misma organización ha declarado a medios escritos que “investigarán el fenómeno” pero que esto tomará mucho tiempo y a veces no se obtiene respuesta. Hubiese esperado más seriedad de una organización dice estudiar fenómenos aéreos anómalos.

CERN encuentra el bosón de Higgs

celebración con un evento en CMS de fondo

Hace unas horas ha concluído un evento histórico. Los dos grandes experimentos del LHC, CMS y ATLAS, han presentado sus resultados basados en el último período de toma de datos. Ambos experimentos han observado una clara señal mostrando la existencia de una nueva partícula con una masa cerca de 126 GeV (unas 130 veces la masa de un protón), lo que parece ser el bosón de Higgs.
Primero habló Joe Incandela, vocero de CMS, quien mostró los diferentes canales (formas de decaimiento) estudiadas en CMS las que mostraron un exceso de eventos respecto a los esperados si no hubiese bosón de Higgs. La significancia de este exceso en casi todos los canales llega a (aunque en ciertos canales llega a ) lo que produjo la euforia de la audiencia en el auditorium del CERN: un largo aplauso celebraba la nueva partícula descubierta por CMS. Luego fue el turno de ATLAS, cuyos resultados fueron presentados por su vocera Fabiola Gianotti. Un poco más técnica (y usando Comic Sans), la segunda charla fue algo más lenta pero la espera valió la pena ya que ATLAS observó un exceso completamente consistente con CMS con una significancia de a lo que la audiencia nuevamente respondió con un tremendo y largo aplauso, celebrando la confirmación del descubrimiento de la nueva partícula. Tanto ATLAS como CMS han hecho públicas declaraciones oficiales (en muchos idiomas!) con más detalles.

Datos de ATLAS y CMS muestrando un “bulto” (bump) cerca de 126 GeV que dio a todos piel de gallina, ese exceso es lo que todos queríamos ver!

Quienes siguieron este evento en vivo pudieron presenciar lo eufóricos que estaban los científicos: la observación independiente en dos experimentos de la misma señal con una significancia tan robusta no es algo que se observa muy seguido. Además esta nueva partícula descubierta cumple con las condiciones para ser el tan anhelado bosón de Higgs. Sin embargo hay que notar que ninguno de los dos experimentos se proclamó descubridor del Higgs, sólo celebran el descubrimiento de una nueva partícula que se parece al Higgs ya que no sabemos con certeza que lo sea, determinar la identidad de esta nueva partícula tomará un poco más de tiempo. De todas formas nadie pone en duda que el Higgs ha sido finalmente encontrado. Este anuncio es un hecho histórico y fue demasiado emocionante seguirlo mientras ocurría. Recuerdo que el 4 de julio de 1997 seguí de cerca el descenso de la sonda Mars Pathfinder sobre Marte, nunca imaginé que exactamente 15 años más tarde estaría siguiendo el anuncio más importante de la física de partículas en décadas. Tanta es la emoción que hoy nadie se queja de que al bosón del Higgs le llamen partícula de dios.

Qué es el bosón de Higgs?

De la misma manera que los químicos usan la tabla periódica de los elementos con todas las propiedades para construir moléculas, los físicos tienen una tabla periódica de partículas elementales, y la teoría que las describe se llama Modelo Estándar. Este modelo es una construcción matemática que debe verificarse. El modelo predice que deben existir 16 partículas diferentes, las 16 han sido observadas en diferentes experimentos lo que convierte al modelo estándar en un logro teórico monumental que funciona muy bien describiendo la naturaleza. Sin embargo el modelo estándar predice algo que no se observa: nos dice que todas las partículas tienen masa cero (lo cual obviamente no es cierto). En los años 60 varios físicos encontraron una solución a este problema que permitía preservar todas las propiedades del modelo estándar. Ellos postularon que el universo debería estar permeado por una sustancia (campo de Higgs) que haría que las partículas adquieran masa y que si esta idea es correcta debería existir una nueva partícula. Esa partícula se llama bosón de Higgs.

Bosón de Higgs y campo de Higgs

A pesar de que suenan muy parecido, no son la misma cosa. En teoría, el campo de Higgs es una sustancia que llena cada rincón del universo, no podemos verla, sentirla, olerla, pero podemos medir su efecto: hace que las partículas tengan  masa (al igual que no podemos ver el viento pero sí medir sus efectos). Una buena analogía para el campo de Higgs es cuando estamos bajo el agua, la que permea todo a nuestro alrededor. Para comprender cómo las partículas tienen masa gracias al campo de Higgs es importante entender que la masa de una partícula es una medida de su inercia, o cuánto le cuesta moverse. De la misma manera que cuando estamos bajo el agua nos cuesta movernos, cuando las partículas se propagan en el campo de Higgs les cuesta moverse, el cuánto les cuesta es lo que llamamos la masa de la partícula.

Y entonces, qué es el bosón de Higgs? Si bien no podemos ver el campo de Higgs algo que podemos hacer es perturbarlo, tratar de hacerle algo para que manifieste su presencia. Así como no vemos el aire pero si aplaudimos cerca de una vela, ésta se apagará porque perturbamos el aire a su alrededor. Volviendo al ejemplo de estar bajo el agua, si aplaudimos fuertemente bajo el agua generaremos pequeñas corrientes que producirán efectos observables, como el movimiento de un alga cercana (o espantar a los peces). En esta analología, el agua es el campo de Higgs, el aplauso es la colisión de un par de partículas (dos protones en el caso del LHC) y la corriente o perturbación (los físicos le llaman excitación) del agua es el bosón de Higgs. En otras palabras, el campo de Higgs permea el universo haciendo que a las partículas les cueste moverse (esto significa que tengan masa), y una excitación de este campo es el bosón de Higgs. Generar corrientes con aplausos bajo el agua no es tarea fácil, el mismo problema enfrentan los físicos usando un generador de aplausos bastante grande y costoso (el LHC).

Ahora, cuáles serían los efectos observables si se crea un Higgs? Al ser una partícula pesada (cientos de veces la masa de un protón), el Higgs es inestable y decae rápidamente en otras partículas, esas son las partículas que hay que buscar. Estos restos del Higgs serían el espantar los peces en la analogía. El LHC es una máquina que genera fuertes aplausos (colisiones de partículas) bajo el agua (en el campo de Higgs) y los detectores como ATLAS y CMS buscan ver si los peces son ahuyentados (los efectos de las excitaciones del campo de Higgs).

Peter Higgs entrando a un salón lleno de periodistas que bloquean su paso (ilustración: Le Temps)

¿Cómo el campo de Higgs le da masa a las partículas?

Como señalaba antes, la masa de una partícula de una medida de cuánto le cuesta moverse y es campo de Higgs hace que ciertas partículas se muevan más lentas que otras. Por ejemplo, imaginemos un salón lleno de periodistas uniformemente distribuidos representando el campo de Higgs. De pronto uno de los meseros (un perfecto desconocido) entra en el salón. A ningún periodista le llama la atención y el mesero podrá moverse de un lado del salón al otro sin mucho problema, los periodistas apenas bloquean su paso. La interacción del mesero con los periodistas (el campo de Higgs) es pequeña y por eso puede moverme fácilmente. En este ejemplo el mesero representaría una partícula con poca masa, es decir, que apenas interactúa con el campo de Higgs. Por el contrario si imaginamos a un personaje famoso, como Peter Higgs en estos días, veremos (y justamente vimos hoy) que los periodistas se abalanzarán sobre él para hablarle, tomarle fotos, etc. A Peter Higgs le costará bastante moverse a lo largo del salón, irá muy lentamente de un lado para otro debido a su interacción con los periodistas que no lo dejan avanzar. En este caso, Peter Higgs representa a una partícula con mucha masa, es decir, una partícula que interactúa mucho con el campo de Higgs (los periodistas) y por lo tanto le cuesta más moverse.
Notar el detalle importante y sutil de que es el campo de Higgs el que da masa a las otras partículas, no el bosón de Higgs. Este último es sólo una consequencia de que el campo de Higgs exista.

El anuncio de hoy

El ambiente estaba bastante preparado para un anuncio importante, los rumores y muchos otros factores hacían de este seminario algo especial, sin embargo también estaba la posibilidad de que todo fuera una cortina de humo. Ante las críticas por el “no anuncio” en diciembre y el drama que fueron los neutrinos superlumínicos, CERN no podía darse el lujo de jugar así con los medios. Afortunadamente todo salió bien y el gran anuncio fue hecho. Se descubrió una partícula nueva que cumple con los requisitos para ser el bosón de Higgs. No sólo fue observada con una significancia que permite hablar de descubrimiento sino que también fue verificado independientemente por dos experimentos. Dada la importancia de esta búsqueda una de las cosas muy claras al diseñar el LHC era que dos experimentos independientes con diferentes tecnologías debían construirse, esta sana competencia serviría como una buena manera de chequear resultados.

Higgs o no Higgs

Aunque ya en todo el mundo se celebra el descubrimiento del bosón de Higgs, los científicos son muy cautelosos de hablar sólo de un nuevo bosón, pero no le ponen un nombre. El motivo es que con la información disponible en este momento no se puede afirmar con certeza que se trate de Higgs. Además hay teorías alternativas al modelo estándar que también contienen partículas similares al Higgs por lo que los científicos prefieren esperar a confirmar las propiedades de la nueva partícula. Sabemos que es un bosón (tiene espín cero) por las partículas en las que decae, pero podría existir un bosón inesperado que decae de la misma forma, por ello los físicos prefieren ser conservadores y no llamarlo Higgs todavía, aunque nuevamente… casi no hay duda de que el Higgs ha sido encontrado.

El modelo estándar como una catedral de legos

Como Fabiola Gianotti dijo al final de su presentación: “esto es sólo el principio”. Por un lado hay que identificar completamente a este nuevo bosón, una de las tareas más importantes que tomará varios meses. Después es necesario medir con detalle sus propiedades ya que de confirmarse que es el goddamn Higgs querremos saber todo acerca de él! Además esto completaría el modelo estándar, el que siempre he visualizado como una catedral construída con legos. El modelo estándar es la construcción matemática que ha guiado a los físicos de partículas en los últimos 30 años. Algunas piezas (partículas elementales) ya se conocían entonces, pero muchas otras eran sólo una idea basada completamente en la bella estructura matemática y poder predictivo del modelo estándar. Los físicos teóricos han sido los encargados de escribir las instrucciones de cómo armar las piezas mientras que los experimentales buscan las piezas faltantes así como también ponen a prueba las instrucciones inventadas por los teóricos. Con los años se verificó la existencia de cada una de las 12 16 partículas que forman la materia (seis quarks y seis leptones), los descubrimientos más recientes fueron el top quark en 1995 y luego en 2000 fue descubierto el neutrino tau. Así cada nueva pieza de este lego permitió verificar los detalles de esta catedral que es el modelo estándar. Hasta hoy, faltaba la última pieza y hace décadas que se busca en el fondo de la bolsa para ver si el fabricante (la naturaleza) incluía esta pieza o no. De no encontrarla sería necesario cuestionarse si la catedral que hemos armado es la estructura apropiada o si con las mismas piezas puede armarse algo diferente. Hoy ATLAS y CMS nos han confirmado que hay otra pieza, una nueva pieza, lo que falta por comprobar es que esa pieza calza en el espacio que falta por completar de nuestra catedral. Podría ocurrir que esta sea una pieza de un set diferente y por lo tanto tendremos que replantearnos el set instrucciones que ha sido desarrollado en estas décadas.

Francois Englert y Petter Higgs, los favoritos a quedarse con el Nobel.

¿Y qué pasa si se verifica que este nuevo bosón es el Higgs?

Primero celebraremos nuevamente (hoy ya es día de fiesta para la comunidad científica) y tendremos la confirmación de que nuestra catedral (el modelo estándar) está bien armada. Es importante destacar que si bien el modelo estándar está a un paso de verificarse completamente, no es una teoría final ya que no es capaz de explicar por ejemplo la gravedad (y muchas otras cosas). El modelo estándar sólo describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Además el Higgs no explica la materia oscura ni el origen del universo (como ya he leído por ahí), el descubrimiento del Higgs nos muestra que nuestra hermosa catedral describe apropiadamente a las partículas, pero no resuelve muchos de los misterios que los científicos tratan de aclarar. Es es un paso muy importante, pero no le demos al Higgs propiedades mágicas que resolverán todos los misterios, la naturaleza no es tan simple.

Al final del seminario pudo verse a un emocionado Peter Higgs junto a sus compañeros François Englert, Gerald Guralnik y Carl Hagen (algunas de las mentes detrás de la teoría hoy aparentemente verificada), quien agradeció a los científicos del LHC por darle la oportunidad de vivir este día. No me canso de decirlo, jornada histórica y de gran significado para quienes estamos en el mundo de la física de partículas. Aunque siempre declaré que no esperaba un descubrimiento como este ni tan pronto, fue imposible no sentir la emoción con este logro colosal de los experimentales de CMS y ATLAS. Durante el seminario puede interactuar con mucha gente a través de Twitter y como alguien dijo, parecía niño abriendo regalos navideños. Estoy seguro que mucha gente se sintió así de emocionada. Un evento espectacular, esta fecha quedará marcada en los libros de historia.

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CERN anunciará nuevos resultados en búsqueda del Higgs

Esta mañana me enteré que CERN llamaría a una conferencia de prensa para presentar una actualización de los resultados en su búsqueda del bosón de Higgs. Este seminario será el miércoles 4 de julio, tres días antes de la presentación de resultados en la conferencia ICHEP. No quise escribir hasta tener una confirmación oficial, la que ha aparecido hace pocos minutos en la web del CERN. Notar que la nota no dice conferencia de prensa sino que seminario científico. Esto significa que el nivel de la presentación será técnico ya que no es un anuncio dirigido a los medios sino que a los científicos. Por supuesto muchos medios asisten a este tipo de seminarios, sin embargo quise destacar este punto porque muchos medios se quejaron en diciembre pasado de lo técnica que fue la presentación.

Este es llamado a los científicos (aunque siendo honestos es claramente también un llamado a los medios) hace que el ambiente se ponga más interesante ya que el protocolo dice que cualquier descubrimiento debe ser anunciado en el CERN. Dado que Australia no es miembro del CERN se consideraba que un descubrimiento no podría ser anunciado allá. Ahora que el CERN ha convocado a este seminario las espectativas aumentan notablemente sobre la posibilidad de que un resultado interesante sea anunciado y alimenta los rumores que circulan hace unas semanas. Algunos medios hablan de que la fecha y hora escogida (4 de julio a las 9am, hora de Suiza) para la conferencia de prensa podría molestar a los colaboradores de Estados Unidos ya que el 4 de julio es feriado y la conferencia será a las 3 de la madrugada, personalmente dudo a los físicos el feriado signifique algo.
La pregunta obvia es ¿por qué el CERN llamaría a este seminario adelantándose a la presentación en ICHEP si no fuese para anunciar algo importante? Nos enteraremos el 4 de julio, ojalá no se trate de estrategia publicitaria y de resultados de verdad importantes, sería fenomenal  presenciar un descubrimiento de tal magnitud. Por ahora a mantener la calma y a esperar el seminario que podremos seguir en vivo desde CERN en este link.

Experimento CMS observa estado excitado de una vieja partícula

Personas en el estado fundamental (arriba) y en diferentes estados excitados.

Estado fundamental y estados excitados

Una persona en su vida tiene diferentes niveles. Cuando una persona descansa podríamos decir que se encuentra en su nivel más cómodo, más relajado. Llamemos a esto su estado fundamental, término que sólo significa que es el estado en el cual la persona desea estar ya que requiere el mínimo posible de energía. Esta persona despierta en la mañana y se dirige a su trabajo, período en el cual debe estar más alerta, atento a las calles, semáforos, etc. Este estado de la persona requiere más energía que el estado fundamental, llamamos a este un estado excitado, es decir, que requiere cierta energía para matenerse en él. Una vez en su trabajo esta persona necesita concentración para llevar a cabo sus tareas, sin importar lo que sea que la persona haga en su trabajo, esto sería otro tipo de estado excitado (requiere más energía que el fundamental). Notar que en cualquiera de los estados excitados que la persona pueda estar, ella sabe que existe un nivel o estado de menor energía, más cómodo en el que quisiera estar: el estado fundamental. Una observación muy importante (aunque parezca obvia) es que a pesar de tener varios posibles estados o niveles en todos los casos la persona es la misma, es decir, sólo el nivel de alerta o excitación de la persona cambia cuando se encuentra en diferentes estados. Por supuesto estos no son los únicos estados excitados, podemos predecir nuevos estados excitados, por ejemplo, suponiendo que esta persona al final del día va al gimnasio a ejercitarse. Esto correspondería a nuevo estado que requiere aún más energía que no necesariamente ha sido observado pero es perfectamente posible que exista.

¿Qué tiene esto que ver con partículas? Resulta que hay partículas que no son elementales, están compuestas por otras más pequeñas. Así como el neutrón y el protón que están formados por quarks, hay muchas otras partículas compuestas por quarks (llamadas en general hadrones) que tienen varios estados o niveles. Tienen un estado fundamental en el cual quisieran estar porque requiere el mínimo de energía; y existen configuraciones en las cuales estos hadrones se encuentran en estados excitados, es decir, de mayor energía. Lo mismo ocurre con sistemas más complejos como los átomos (gracias Francis por la sugerencia). Los electrones en un átomo poseen un estado fundamental y diversos estados excitados. Estas excitaciones pueden lograrse por ejemplo cuando un electrón absorbe una partícula de luz (un fotón). Con la energía extra disponible, el electrón “salta” de un nivel atómico a otro. Dado que electrón sabe que existe un nivel de energía más bajo en algún momento posterior “saltará” de regreso a su nivel original emitiendo la energía en forma de luz. Esto es justamente uno de los principios en los cuales se basa el láser.

CMS observa estado excitado del barión  

El pasado jueves, la colaboración CMS (uno de los grandes experimentos en el LHC) anunció la observación del estado excitado de una partícula llamada beauty Xi, denotada por , donde el cero indica que este primo pesado del neutrón no posee carga eléctrica (aunque también existen el y el , que poseen carga positiva y negativa, respectivamente); la b indica que uno de sus constituyentes en un quark bottom (también llamado beauty); y la estrella * denota que este hadrón (recordar que cualquier partícula constituida por quarks se llama hadrón) es un estado excitado de la partícula llamada . Hadrones formados por tres quarks se denominan bariones, que refiriéndose a su masa viene del griego barys que significa pesado (también hay hadrones formados por dos quarks, esos se llaman mesones, del griego mesos que significa medio). El está formado por un quark up, un quark strange, y un quark bottom. La observación del estado excitado de esta partícula verifica algo que era esperado que ocurriera, no se trata de nueva física o de alguna partícula nueva. La significancia de la observación es de , un sólido resultado para CMS.

Decaimiento en cascada del barión

¿CMS descubre una nueva partícula?

Durante el fin de semana muchos medios han anunciado que una nueva partícula ha sido descubierta en CMS. ¿Es este anuncio correcto? La respuesta corta es no. La respuesta larga es que el barión no es una partícula nueva, los primeros bariones de este tipo fueron observados por primera vez en los años 50 en rayos cósmicos. Dentro de la comunidad científica son también conocidos como cascade particles (partículas cascada) ya que al ser partículas muy masivas (el es seis veces más pesado que el protón) decaen rápidamente al estado fundamental y luego en otras partículas, las que a su vez decaen, así repitiendo el proceso varias veces, fenómeno que los físicos llaman cascada. El experimento CMS ha observado un estado excitado de este barión, pero como ahora sabemos, un estado excitado no significa que se trate de otra partícula, de la misma manera que en el ejemplo de la persona, cuando está descansando en su cama (estado fundamental) y cuando está trabajando se trata de la misma persona! Lo que CMS ha observado es el equivalente a encontrarse a la persona ejercitando en el gimnasio, es decir, un estado excitado que no había sido observado antes. Es una interesante observación ya que confirma que la teoría funciona, sin embargo decir que CMS descubre una nueva partícula es erróneo. Lo correcto es decir que CMS ha observado por primera vez el estado excitado de una partícula conocida hace más de 50 años. A pesar de que esto es muy largo y poco atractivo para un titular en los medios, esto es lo que los medios deberían reportar si pretender informar al lector interesado en vez de confundirlo. Notar que lo mismo ocurrió en diciembre pasado cuando ATLAS observó el estado excitado del mesón , en cuya oportunidad también insistimos en la diferencia entre observación de un estado excitado y el descubrimiento de una nueva partícula. Hasta la fecha ninguna partícula nueva ha sido descubierta en el LHC, esperemos que esto cambie pronto. Francis entrega detalles más técnicos para los interesados.

Electrones, sardinas y cuasipartículas

Hace unos días apareció publicado en la revista Nature un artículo científico que ha captado la atención de muchos medios de comunicación. Como suele ocurrir con estas interesantes noticias, varios blogs de divulgación se han hecho eco del asunto. Dada la falta de tiempo y las excelentes explicaciones que ya han aparecido en estos días no pensaba en referirme al respecto, sin embargo ante la aparición de varios titulares horriblemente redactados en medios locales me he tomado el tiempo de escribir brevemente de qué se trata. El artículo se refiere a la observación en el laboratorio de una cuasipartícula llamada orbitón. En los medios, sin embargo, se habla de la observación de los constituyentes del electrón o (incluso peor) hay titulares indicando que científicos han dividido el electrón dos partes. Primero es necesario señalar que esta noticia nada tiene que ver con física de partículas elementales; se trata de la importante disciplina de la física llamada física de la materia condensada a la que debemos la gran mayoría de los avances tecnológicos gracias al desarrollo de semiconductores, discos duros y una interminable lista de dispositivos electrónicos que nos han cambiado la vida en el último siglo.

Física cuántica, sardinas y cuasipartículas

Para comprender a qué se refiere la palabra cuasipartícula, es necesario recordar que a escalas muy pequeñas (átomos y moléculas) nuestras nociones cotidianas del mundo no pueden aplicarse directamente. A estas pequeñas escalas la mecánica clásica deja de ser válida y el comportamiento de partículas está regido por la física cuántica, esa rama de la física en la que las cosas parecen no tener sentido y los gatos se roban la película. Esta fascinante descripción de la naturaleza a pequeñas escalas nos es extraña porque no estamos acostumbrados a lidiar con ella en nuestras vidas macroscópicas. La física cuántica, además de ser uno de los términos más manoseados de la física por parte de gurús, sanadores y líderes espirituales que dicen basar sus pseudociencias en la física cuántica (aunque sus nociones nada tienen que ver con física cuántica, sólo usan el nombre para engañar a la gente aprovechándose de su ignorancia en el tema), nos dice que las partículas no son pequeñas pelotitas que se mueven en el espacio (como podríamos imaginar). Por ejemplo, un electrón no es una pequeña pelotita que gira en torno al núcleo, esa es sólo una visión pictórica que nos ayuda a visualizar la idea de un átomo. Por el contrario, en física cuántica todo es en términos de campos. Un campo es un algo que permea el universo, como el agua que llena una piscina. Lo que llamamos partícula es una excitación de ese campo. Hace unos meses hablábamos de esto cuando diferenciábamos el campo de Higgs del bosón de Higgs (ver post), lo mismo se aplica para todas las partículas. Volviendo a nuestro ejemplo, un electrón es sólo una fluctuación o excitación del campo electrónico que llena el universo. Esto es una partícula, estas excitaciones que tienen muchas propiedades que a los físicos les gusta medir. Resulta que bajo ciertas condiciones, varias partículas pueden en conjunto comportarse como si fuesen una gran partícula, suena confuso? Usemos una analogía, reemplacemos el electrón por algo más simple de visualizar: una sardina. La sardina será nuestra partícula. Supongamos que tenemos una colección de muchas sardinas las que en principio pueden moverse cada una por su cuenta. Ahora, todos hemos visto esas increíbles imágenes en los documentales del fondo marino en los cuales un banco de sardinas se mueven todas a la vez formando lo que parece ser un pez más grande, como se ve en este video. Sabemos que ese grupo de sardinas no es un animal de verdad, no es un constituyente de cada sardina ni tampoco es un nuevo tipo de pez, es sólo lo que vemos debido al comportamiento colectivo de las sardinas, sin embargo ese grupo se ve y se comporta como un gran pez ya que tiene una forma y se mueve en cierta dirección. Esto es lo que llamaríamos una “cuasisardina”. Lo mismo ocurre con los electrones, al moverse en grandes grupos bajo ciertas condiciones se puede observar un comportamiento colectivo que luce como si fuese una partícula, aunque no se trate de una partícula elemental nueva ni tampoco es un constituyente del electrón. Eso es una cuasipartícula.
Es importante enfatizar que: las cuasipartículas no son partículas elementales; las cuasipartículas no son constituyentes de partículas elementales como el electrón; electrón es una partícula elemental por lo que no tiene una estructura interna; las cuasipartículas sólo pueden existir en el material y en las condiciones que aparecen, por lo tanto no pueden existir fuera del material. Es por esto que no tiene sentido hablar de que se ha observado una componente del electrón o que el electrón ha sido dividido. Decir que el electrón ha sido dividido y que las cuasipartículas son sus componentes internas es tan errado como decir que se ha dividido una sardina en dos y que está compuesta por un grupo de sardinas! Por lo tanto, el electrón no ha sido dividido.

Espinones, holones y orbitones

En física de partículas elementales estamos acostumbrados a tratar al electrón como una partícula que se mueve libremente en el espacio, situación bastante alejada de realidad en experimentos. Los físicos de materia condensada son mas realistas y describen los electrones y sus interacciones con los átomos de un material. Además, manipulando diferentes materiales con diferentes geometrías, físicos de materia condensada pueden hacer que los electrones se muevan en un plano o en una línea, así reduciendo el número de dimensiones disponibles para el electrón (a dos en un plano y una en una línea). En la década de 1980, físicos teorizaron que si electrones se movieran en una cadena de átomos (es decir los electrones se mueven sólo en una dimensión, a lo largo de esta cadena) entonces tres diferentes cuasipartículas podrían ser observadas. Dichas cuasipartículas, que como ahora sabemos no son partículas elementales sino que comportamientos colectivos de los electrones, podrían moverse de manera independiente y cada una portaría diferentes propiedades de los electrones. Una de ellas se llama espinón y portaría el espín (esa propiedad interna que se puede visualizar como electrón rotando sobre su eje); otra se llama holón que portaría la carga eléctrica; y la tercera se llama orbitón, que portaría las propiedades del electrón que se refieren a su lugar en torno al núcleo atómico. Durante la segunda mitad de la década de 1990, las dos primeras cuasipartículas fueron observadas. Como indicaba al principio de este artículo, Nature ahora nos cuenta que un grupo de físicos europeos ha observado las cuasipartículas llamadas orbitones. Esto es un gran avance ya que nos muestra el tremendo dominio que los científicos tienen sobre las propiedades de ciertos materiales. Es bastante pronto para cuestionarse qué aplicaciones puedan llegar a tener estas cuasipartículas, pero probablemente la industria de la microelectrónica y los físicos de materia condensada nos sorprenderán con nuevos dispositivos que harán de la física cuántica parte de nuestras vidas una vez más.

Por último quería mencionar que las cuasipartículas son bastante comunes en física, existen muchas otras con nombres simpáticos como plasmones, rotones, excitones, magnones, polarones… lo que me recuerda largas discusiones con un amigo en mi primer año de la carrera, cuando acordamos que si alguno de nosotros alguna vez descubría una partícula o cuasipartícula la llamaríamos croutón. Personalmente suelo usar nombres de partículas y cuasipartículas como saludo de buenas noches en Twitter.

Para los interesados en más detalles les recomiendo los excelentes y completos artículos al respecto de Francis, Cuentos Cuánticos y Ciencia Kanija.

Experimento descubre oscilación de antineutrinos provenientes de reactores nucleares

Planta nuclear usada como fuente de antineutrinos para el experimneto Daya Bay

Hace algo más de un año contábamos la puesta en marcha de un nuevo experimento de neutrinos llamado Double Chooz, en Francia. El objetivo de dicho experimento era medir cómo los antineutrinos provenientes de una planta nuclear “desaparecen” al alejarse de su fuente. Los neutrinos (o antineutrinos en este caso) no desaparecen en el sentido estricto de la palabra, en realidad cambian de un tipo de neutrino a otro en un fenómeno llamado oscilación de neutrinos, que hemos discutido varias veces en este blog. Una de las cosas que también mencionamos entonces fue que Double Chooz no estaba solo en este estudio. Sus dos competidores (Daya Bay y RENO) comenzaron a funcionar silenciosamente la segunda mitad del año pasado.

Experimento Daya Bay

Ubicado en el sur de China, el experimento Daya Bay es un arreglo de varios detectores de antineutrinos en las cercanías de la planta de energía nuclear del mismo nombre. Una de las ventajas de Daya Bay son sus seis reactores nucleares, comparado con los dos reactores de Double Chooz, lo que permite la toma de datos en un tiempo mucho menor. Además Daya Bay posee varios detectores distribuidos a diferentes distancias de los reactores nucleares, lo que permite mediciones mucho más precisas que los dos detectores de Double Chooz (de los cuales sólo uno está terminado y en funcionamiento). Daya Bay es una colaboración internacional que incluye cerca de 250 físicos de China, Estados Unidos, República Checa, y Rusia.

Las reacciones en un reactor nuclear producen alrededor de 10¹³ antineutrinos por centímetro cuadrado cada segundo, un flujo enorme que permite medir sus propiedades, así como en 1956 permitió el descubrimiento del neutrino, lo que valió en 1995 el Premio Nobel a Frederick Reines, quien junto a Clyde Cowan desarrollaron el llamado Proyecto Poltergeist para detectar al fantasmal neutrino por primera vez.

Esta madrugada, me he levantado a las 4am para seguir un seminario en directo desde Beijing donde Yifang Wang, director del Instituto de Física de Altas Energías y portavoz de la colaboración, presentó el resultado de Daya Bay: antineutrinos electrónicos provenientes de reactores nucleares oscilan luego de propagarse 1.7 km, con una significancia estadística de , por lo que Daya Bay declara su resultados un descubrimiento! (discutimos la diferencia entre evidencia y descubrimiento, así como el significado de la significancia estadística en este post).

Oscilaciones de neutrinos: dónde está mi helado de vainilla?

Los neutrinos no sólo son fantasmales en el sentido que son muy difíciles de detectar (atraviesan todo casi sin interactuar) sino que también porque sufren una verdadera crisis de identidad. Los neutrinos existen en tres tipos, llamados sabores: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tau. Cuando un neutrino se propaga, es decir, cuando se mueve por el espacio, cambia de un tipo a otro, lo que se conoce como oscilación de neutrinos. Esto significa que neutrinos muónicos o tau pueden observarse provenientes de una fuente de neutrinos electrónicos (como el sol o un reactor nuclear).

Este fenómeno puede entenderse con la siguiente analogía: supongamos que deseamos comer helado de vainilla. Para ello vamos al supermercado, compramos un helado de vainilla y lo llevamos a casa (simple). En nuestro camino de regreso, luego de andar medio kilómetro, nos cuestionamos si el helado que compramos es en realidad de vainilla. Dado que somos desconfiados abrimos la caja de helado para verificar que es en realidad de vainilla y no otro sabor. Luego de estar seguros de que casi el 100% del helado es de vainilla, seguimos la ruta a nuestra casa. Al llegar, luego de andar algo más de 1.7 km desde el supermercado abrimos la caja nuevamente y sorpresa: no es un helado de vainilla, es un helado napolitano, que tiene una parte de vanilla pero también posee partes de chocolate y frutilla! Qué pasó en el camino? Nuestro helado cambió de sabor, una fracción del helado de vainilla se transformó en los otros dos sabores.

Fracción de helado de vainilla a medida que nos alejamos del supermercado

Esto es exactamente lo que ocurre con los neutrinos! El supermercado corresponde a una fuente de neutrinos de cierto sabor (una planta nuclear produce antineutrinos electrónicos en el caso del experimento Daya Bay); los detectores del experimento corresponden a abrir la caja de helado para ver cuánto helado del sabor original nos queda; y la analogía de los tres sabores es directa. La idea de abrir la caja para ver cuándo helado de vainilla queda en la caja es justamente los que los físicos de Daya Bay hacen con sus detectores a diferentes ditancias, lo que les permite medir cuántos antineutrinos electrónicos sobreviven el viaje desde el reactor. El gráfico adjunto (tomado del paper de Daya Bay y ligeramente modificado) muestra que luego 1.7 km se ha perdido casi 10% del sabor original. Los físicos llaman a esto un experimento de desaparición de neutrinos.

Importancia de este resultado: posible violación CP

La oscilación de neutrinos es un descubrimiento fascinante que data de 1998 y corresponde a una clara evidencia de que el Modelo Estándar no es una teoría completa, ya que según el modelo estándar los neutrinos no pueden oscilar. Los físicos han creado un modelo que describe la oscilación de neutrinos y que hasta fecha parece ajustarse muy bien a las observaciones (aunque hay ciertas anomalías). Este modelo depende de seis parámetros (seis números) que deben medirse experimentalmente. Cuatro de ellos son conocidos con bastante precisión. Los dos que faltan son bastante difíciles de medir por lo cual varios experimentos están a la caza de dichos parámetros. Uno de estos parámetros se llama (es un ángulo) del cual por más de una década sólo sabemos que es pequeño, incluso podría ser nulo. La teoría nos dice que si este ángulo es cero entonces los antineutrinos electrónicos provenientes de un reactor nuclear no pueden desaparecer. En otras palabras, si nuestro helado de vainilla seguirá siendo de vainilla luego de andar un par de kilómetros. Por este motivo los experimentos Daya Bay, Double Chooz y RENO fueron diseñados, una medición de desaparición de antineutrinos de reactor indicaría un valor no nulo del ángulo . Esto es exactamente lo que el experimento Daya Bay ha observado (o descubierto), por lo que este resultado corresponde a uno de los resultados más importantes en la historia de la física de neutrinos en varios años. Este mismo ángulo también juega un rol fundamental en experimentos que usan neutrinos creados en aceleradores de partículas. El año pasado los experimentos T2K (en Japón) y MINOS (en EEUU) mostraron lo que parecían ser señales de un ángulo no nulo (los cuales comentamos aquí y aquí), pero con muy baja significancia estadística que no permitía ni siquiera declarar la evidencia de esta observación. Ahora Daya Bay ha observado la desaparición de mi helado de vainilla de antineutrinos electrónicos estableciendo el descubrimiento de , con una significancia estadística de . Este ha sido declarado el descubrimiento más importante en física hecho en China.

La medición del ángulo es un paso necesario para medir el último de los parámetros del modelo que describe los neutrinos, es otro ángulo llamado , el cual cuantifica posibles diferencias entre neutrinos y antineutrinos (los físicos llaman a esta posible diferencia violación CP) lo que podría explicar la asimetría entre materia y antimateria en el recién nacido universo, por lo cual deberíamos a este ángulo nuestra propia existencia y la de todo el universo (como contamos en este post). Ahora que Daya Bay ha medido un valor de bastante grande, es cuestión de tiempo para Double Chooz, MINOS y T2K lo verifiquen. Asi mismo, un valor tan grande de este ángulo abre la posibilidad de medir violación CP en T2K y MINOS, así como en el experimento NOvA (EEUU) en construcción, diseñados para esta tarea, por lo cual el anuncio de Daya Bay es al mismo tiempo excelentes noticias para estos equipos pavimentándoles el camino. Toda posibilidad de la existencia de violación CP en neutrinos depende del ángulo recién medido por Daya Bay, ya que cualquier efecto de la violación CP desaparece si . Con sólo 55 días recolectando datos, Daya Bay ha ganado la carrera en la que cinco equipos internacionales han tratado de medir (Daya Bay, Double Chooz, MINOS, RENO, y T2K). Daya Day comenzó sus operaciones el 24 de diciembre y a mediados de enero ya tenían señales que apuntaban al resultado anunciado. En junio de este año se realizará en Japón la más importante conferencia de neutrinos (Neutrino2012), la que incluirá varios interesantes resultados, probablemente entonces Double Chooz tenga su nuevo análisis que permita confirmar el descubrimiento de Daya Bay, además sabremos algo más de los neutrinos en OPERA.

Resumiendo, excelentes noticias para la física de neutrinos, un resultado tan sólido como el anunciado hoy era esperado con ansias ante tantos resultados con baja significancia estadística que no permitían sacar conclusiones concretas. Daya Bay dio un golpe tremendo hoy, ganando una carrera que ni los más optimistas pensaban terminaría tan pronto y abre la puerta al estudio de la violación CP, lo que podría llegar a responder una pregunta tan profunda como el por qué existimos. Personalmente encuentro espectacular poder hablar de un descubrimiento en neutrinos luego de tantos años. Además, mientras muchos experimentos verifican lo bien que funciona el modelo estándar, la física de neutrinos ya está haciendo mediciones más allá del modelo estándar.

Esta tarde (12pm, hora de Berkeley) el otro portavoz de la colaboración presentará un seminario con estos resultados.

Científicos observan partícula que se mueve a la velocidad de la luz

laboratorio del DUH donde se logró crear luxones

Actualización: ver más abajo!

Hace unas horas científicos del Der Umweltverschmutzung Honkenbrakenscreecher (DUH), al sur de Alemania han anunciado la observación de una partícula que de acuerdo a sus mediciones parece moverse a la velocidad de la luz, llamada luxón. Este anuncio llega al final de un año en que los neutrinos (en el experimento OPERA) y el bosón de Higgs (en el LHC) han sido protagonistas de los anuncios mediáticos, sin embargo la posibilidad de que los neutrinos sean superlumínicos sigue esperando una conformación independiente por otro experimento y las señales del Higgs son muy débiles para llegar a cualquier conclusión.

Este nuevo anuncio ha dejado perpleja a toda la comunidad científica ya que la significancia estadística del resultado presentado es de (9 sigma!). Los investigadores del DUH, dirigidos por la física Alison Wonderland, han utilizado un tipo conocido de partículas llamadas bradiones. Los bradiones pueden tener carga eléctrica, aunque también existen bradiones neutros. Los bradiones negativos son conocidos desde fines del siglo XIX y a principios del siglo pasado los primeros bradiones positivos fueron descubiertos por Rutherford. Un sistema bradiónico ligado puede vivir en equilibrio cuando bradiones negativos se mueven alrededor de un grupo de bradiones neutros y cargados positivamente. Experimentando con diferentes materiales, científicos del DUH han logrado excitar un tipo especial de sistema bradiónico, el cual al disminuir su energía emite paquetes de energía, lo que ha sido interpretado como las anunciadas partículas llamadas luxones. El equipo ha observado que las emisiones luxónicas ocurren espontáneamente, pero en su experimento han logrado estimular el sistema para producir emisiones amplificadas.

Uno de los detalles notables de este descubrimiento es la simplicidad del experimento realizado en comparación a los grandes experimentos en los que participan miles de científicos, en las palabras de Wonderland “hemos demostrado que pequeñas colaboraciones realizando simples experimentos pueden hacer importantes aportes a la ciencia”. A pesar del reciente anuncio, Wonderland señala que han observado los luxones hace varios meses, sin embargo los miembros del equipo quisieron verificar todas las posibles fuentes de error para asegurarse de que no se tratara de una falsa alarma antes de hacer el anuncio oficial y así evitar una avalancha de críticas como ocurrió con los neutrinos superlumínicos. Las posibles aplicaciones de los luxones serían enormes dadas sus propiedades. La partícula observada tiene espín 1 (por lo cual es un bosón) y no posee carga eléctrica (es neutro), sin embargo pruebas preliminares sugieren que podría interactuar con partículas cargadas. Estas propiedades indican que los luxones podrían tener aplicaciones tecnológicas ya que podrían ser generados al acelerar electrones: variando la manera en que los electrones son acelerados para generar luxones, información podría ser codificada y enviada a otro lugar, lo cual requiriría el desarrollo detectores de luxones. Además diferentes teorías sugieren que luxones podrían ser creados en reacciones nucleares en las estrellas, por lo que el trabajo de Wonderland y su equipo podría ayudarnos al estudio del cosmos con el desarrollo de potentes detectores para captar los luxones emitidos desde las estrellas lejanas y también nuestro Sol. Finalmente, el grupo del DUH piensa que luxones de diferentes energías podrían ser producidos artificialmente en dispositivos relativamente simples, los cuales podrían incluso excitar nuestra retina haciéndolos visibles para los humanos. Es muy pronto para estar seguros de las implicancias y aplicaciones de los luxones, pero este anuncio muestra que el 2011 nos ha traído muchas sorpresas. Más información será presentada esta tarde en un seminario especial en el DUH, donde todos los medios estarán cubriendo esta noticia. Habrá transmisión en vivo, cuando tenga mas información este post será actualizado.
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Sección añadida en Diciembre 29, 2011

Personalmente no me llaman la atención las bromas de inocentes, por un lado encuentro que son una pérdida de tiempo, por otro lado provienen de una referencia religiosa (prefiero no opinar). Sin embargo, no quise dejar de aprovechar la tendencia masiva y escribir un post que más que broma de inocentes prefiero usar este concepto.

A pesar de ser un post Bazinga!, no quise usar conceptos falsos por lo cual procedo a explicar los mencionados en el post:

1. El Der Umweltverschmutzung Honkenbrakenscreecher por supuesto no existe, sólo tomé tres palabras al azar que formaran la sigla DUH (que de acuerdo a las estadísticas del blog algunas personas buscaron en Google). Tampoco existe la Dra. Alison Wonderland, notar que al leer rápido el nombre suena como Alice in Wonderland; y obviamente el seminario nunca ocurrió. Estas son las únicas invenciones a lo largo del post.

2. Que una partícula se mueva a la velocidad de la luz no es sorprendente, después de todo (y como Carlos muy bien señala en su comentario) esto es lo que los fotones hacen, así como cualquier otra partícula sin masa.

3. El nombre luxón no es un invento mío, es un nombre oficial antiguo (casi nadie lo usa) que se le daba a las partículas sin masa, las que por lo tanto se mueven a la velocidad de la luz.

4. El nombre bradión tampoco es un invento mío, así como luxón, se usaba antiguamente para calificar a cualquier partícula que se mueve más lento que la luz, es decir, partículas masivas (también se les llamaba tardión o ittión). Por ello, al decir bradiones negativos en el post me refería a los electrones (descubiertos en 1897 por Thompson) y los bradiones positivos y neutros corresponden a los protones y neutrones en el núcleo atómico; al decir materia bradiónica me refería simplemente a un átomo. Hay que agregar que hay un tercer nombre antiguo que no ha perdido su vigencia, el taquión, que como sabemos se refiere a partículas hipotéticas que podrían moverse más rápido que la luz.

5. La descripción de bradiones negativos emitiendo luxones es nada más que las transiciones de los electrones en el átomo emitiendo fotones. Además, la idea de la estimulación para lograr emisión luxónica (fotones) amplificada es nada más que el funcionamiento de un láser, como Felipe nos contó en un post anterior.

6. A algunos les sorprendió la alta significancia estadística del resultado (9 sigma). Sin embargo es importante destacar que hay muchas mediciones que tienen incluso mayor significancia, por lo tanto decir 9 sigma indica un resultado extremadamente convincente pero no irreal ya que hay varios de esos (lo que dará para un futuro post).

7. Las propiedades de los luxones descritos (espin 1 y neutros) y la interacción con partículas cargadas son justamente las propiedades del fotón, como contamos en un post anterior sobre las interacción electromagnética.

Gran detector de luxones (VLT) con el cometa Lovejoy

8. Las aplicaciones tecnológicas de los luxones (fotones en este caso) son muchas y no hace falta describirlas, quizás en un futuro post sobre, por ejemplo, la fibra óptica. Los detectores de luxones obviamente existen, hay uno en cada cámara fotógráfica y CCD. Se usan en astronomía, justamente los potentes detectores para captar los luxones mencionados es lo que llamamos telescopios.

9. La codificación de información con luxones es lo que llamamos ondas de radio. La creación de luxones al acelerar electrones es también una realidad, así es justamente como las emisoras de ondas electromagnéticas (usando antenas) funcionan.

9. Los luxones (fotones) vienen en diferentes energías, y para un rango particular pueden excitar nuestra retina, eso es lo que llamamos luz visible. La pantalla de tu computador es un emisor de luxones a una energía tal que excita tu retina y por lo tanto puedes leer esto.

Sólo quiero insistir en que si bien este post era una broma, el contenido está basado en conceptos reales y correctos. Además hay varias cosas de las que podremos hablar en futuros posts.

Imágenes: Intense Laser-matter Interactions, ESO.

Excitación genera descubrimiento de partícula excitada en el LHC y por qué esto no es muy excitante

Esta mañana leí el titular el LHC descubre su primera partícula nueva (gracias Felipe). Con la revuelta que el bosón de Higgs produjo en los medios hace unos días y con el de palabras como nueva partícula y bosón en los titulares de hoy es importante aclarar un par de detalles.

Para comprender qué se ha descubierto es útil recordar nuestro post anterior, en el que señalábamos que el modelo estándar de física de partículas es para los físicos el equivalente a la tabla periódica de los elementos para los químicos. A partir de un grupo determinado de partículas elementales (es decir, que no están compuestas por otras partículas) se pueden formar partículas compuestas (como su nombre lo indica, están formadas a partir de partículas elementales, como discutimos hace un tiempo en este post). Siguiendo con la analogía con la química, de la misma manera que dos elementos, como el hidrógeno (H) y el oxígeno (O) pueden unirse en un estado ligado (bound state en inglés) para formar una molécula de agua (), en física de partículas los quarks pueden unirse para formar estados ligados, similares a una molécula, pero formada por partículas fundamentales en vez de elementos químicos. Estas moléculas de partículas fundamentales (estoy llamándolas moléculas sólo como analogía, no es un nombre oficial) se llaman hadrones, sí hadrones, como el nombre del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), si el nombre te parecía extraño ahora es simple de entender: el LHC es una gran máquina que hacer colisionar partículas formadas por quarks (hadrones), en particular los protones usados en el LHC están compuestos por tres quarks.

ATLAS ha comunicado que se ha observado una nueva partícula, un hadrón formado por un quark bottom y un antiquark bottom (el quark botom a veces es llamado quark belleza) llamado . Este estado ligado (o “molécula de quarks”) es a veces denominado bottomonium. Notar un importante detalle: ATLAS ha comunicado, no anunciado. Cuál es la diferencia? El comunicado ha sido a través de un paper aparecido en el arXiv (el repositorio electrónico donde los físicos hacen públicos sus papers mientras esperan por ser publicados en una revista oficial) el día de ayer. No es un anuncio porque no se ha llamado a los medios ni nada por el estilo. Por qué no? Si bien se ha observado algo nunca antes visto y verificado algo que se había teorizado, este tipo de descubrimientos no tienen la misma relevancia que la observación de una partícula fundamental (como el Higgs) porque a veces se abusa del término nueva partícula. Por ejemplo el bottomium ha sido observado antes, sin embargo el observado ahora en ATLAS es un estado excitado, es decir, tiene mayor energía (entre otras propiedades diferentes respecto al observado antes), pero no es una nueva partícula. Notar que el nombre de la nueva partícula incluye el apellido “3P”, que es la notación que los físicos usan para catalogar sus propiedades, antes se había observado el y el (si has tomado clases de química puedes ver la directa relación con la llamada notación espectroscópica de los orbitales electrónicos: 1s, 1p, 2s, 2p, 3s, 3p…). Esto no le quita importancia al descubrimiento, pero también muestra por qué ATLAS no llamó a los medios para anunciarlo. Es importante porque corrobora que los modelos teóricos de hadrones funcionan bastante bien, en teoría sabíamos que el debía existir, ahora estamos seguros.

En resumen, es un interesante resultado que ha llevado a la colaboración ATLAS a enviarlo para publicación a la prestigiosa revista Physical Review Letters ya que valida nuestro entendimiento teórico de los hadrones, pero no es tan interesante como para llegar a los titulares de los medios. Como dice Matt Strassler en su blog, más impresionante que el descubrimiento mismo lo que impresiona es leer el titular en la web de la BBC.
Por último, tiene alguna relación este descubrimiento con el bosón de Higgs? La respuesta es no, el es un bosón al igual que el Higgs, sin embargo esto sólo significa que poseen una propiedad llamada espín similar, pero no tienen otra conexión. Relacionar a el con el Higgs sería como relacionar peras con manzanas sólo porque ambas son frutos.
Detalles más técnicos pueden encontrarse en Francis Science News.

Nuevos resultados sobre neutrinos en OPERA

Detector OPERA

Actualización: nueva sección sobre ICARUS vs. OPERA

Hace casi dos meses la colaboración científica que realiza el experimento OPERA en Italia hizo público un anuncio que no dejó indiferente a nadie: en su estudio sobre las pequeñas partículas llamadas neutrinos midieron que dichas partículas fundamentales parecían moverse más rápido que la luz (ver extenso post al respecto).  La importancia de dicho hallazgo (de confirmarse) radica en que podría implicar que unos de los pilares fundamentales de la relatividad de Einstein (que los físicos llaman simetría de Lorentz) se vendría abajo. La relatividad de Einstein es al mismo tiempo uno de los bloques básicos de nuestras teorías más exitosas: la Relatividad General (que describe la gravedad) y el Modelo Estándar (que describe todas las partículas de la materia y sus interacciones, sin incluir la gravedad).

Los medios de comunicación hicieron eco de la relevancia de este anuncio (que muchas veces fue tratado como un descubrimiento aunque falta bastante para calificarlo así) con titulares rimbombantes y a veces con información algo tergiversada al respecto, sin embargo causó que el público general se interesara en estos temas, se hiciera preguntas, y además se enterara que física de partículas es un campo de estudio que va más allá del LHC y su búsqueda del bosón Higgs, lo cual es muy positivo.

La comunidad científica se mostró escéptica (como debe ser) tanto al resultado como al tratamiento de las posibles fuentes de error. Las críticas fueron como dardos que apuntaron principalmente en dos direcciones: 1. el sistema que midió el tiempo que tardan los neutrinos en llegar desde CERN hasta el detector OPERA, en particular al sistema de GPS usado para sincronizar los relojes atómicos utilizados; y 2. la manera en que el flujo de neutrinos fue medido desde su fuente en CERN y al llegar al detector.

Mismo experimento, nueva configuración.

Los neutrinos son creados en CERN machacando un blanco con un haz de protones que genera una lluvia de partículas que al decaer produce neutrinos. Estos neutrinos no son creados uno a uno, más bien son lanzados como una ráfaga de partículas. El tiempo de duración de dichas ráfagas puede controlarse variando la manera en que los protones chocan con el blanco. Hace unas semanas OPERA anunció que los pulsos (ráfagas) de neutrinos creados en CERN había sido modificado, pulsos más cortos (cerca de 2 nanosegundos, en vez de 10 nanosegundos usando antes) permiten tener mayor precisión en la medición y así responder a quienes postulaban que ésta era la fuente de error que hacía parecer que los neutrinos se movían más rápidos que la luz. En su momento Francis presentó más detalles al respecto aquí. Además de usar pulsos cortos, se incrementó el espaciamiento entre pulsos, de esta manera OPERA pudo medir individualmente el tiempo de vuelo de 20 neutrinos, contrario a la medición promedio realizada antes.

Nuevo resultado: reafirmación no es confirmación

Los resultados de esta medición han sido anunciados esta tarde, los que muestran que incluso con los pulsos cortos los 20 neutrinos analizados llegan 60 nanosegundos antes de lo esperado, es decir, los neutrinos continúan mostrando que se mueven más rápido que la luz!
Qué significa esto? Aquí es muy importante ser enfático en que este nuevo resultado no es una confirmación, sino más bien una reafirmación del resultado original de OPERA. No es una confirmación porque para ello el resultado debe ser verificado por un experimento independiente. Sin embargo esto no le quita importancia a la nueva medición ya que se esperaba que OPERA refutara su propio resultado. El hecho de que un nuevo análisis sea tan consistente con el resultado original le otorga un nivel muy robusto y más confiable. No sólo los números obtenidos en las mediciones son los mismos que en el resultado de septiembre, sino que además se ha indicado que diferentes grupos dentro de la colaboración han verificado los resultados independientemente (verificación no realizada antes), lo que deja a los miembros de OPERA con una mayor seguridad de que saben lo que están haciendo. Por supuesto existe la posibilidad de que estén cometiendo el mismo error nuevamente, pero este nuevo resultado permite eliminar la más sospechosa de las posibles fuentes de error que podrían estar simulando una señal no real. El siguiente paso será estudiar con detalle la sincronización de los relojes atómicos, la otra sospechosa de causar un error.

En resumen, OPERA ha verificado los valores obtenidos en septiembre y la nueva medición reafirma el resultado anómalo que muestra neutrinos moviéndose más rápido que la luz. Los neutrinos superlumínicos no han sido conformados aún, para ello habrá que esperar los resultados de MINOS en 2012.

La nueva versión del paper de OPERA puede encontrarse aquí, y un análisis con detalles técnicos del nuevo resultado de OPERA se encuentra acá.

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Sección añadida en Noviembre 21, 2011

Detector ICARUS

ICARUS versus OPERA

El día de hoy los medios nos han bombardeado con una “nueva” información: otro experimento en Italia llamado ICARUS ha demostrado que los neutrinos no son superlumínicos y por lo tanto ha refutado el resultado de OPERA. Hay varios problemas con esta afirmación las cuales describo a continuación:

1. La noticia no es nueva, el análisis realizado por el equipo que conforma el experimento ICARUS fue anunciado hace más de un mes (17 Octubre), días en los que Francis presentó la noticia con un elocuente “…ICARUS no refuta  a OPERA…” Quise escribir al respecto pero me encontraba de viaje y Francis ya había realizado una excelente labor aclarando los rimbombantes pero erróneos titulares. Personalmente desconozco el motivo por el cual hoy se ha hablado de esta vieja noticia como si fuese nueva, cuando ya sabíamos del análisis de ICARUS hace más de un mes, algo está muy mal con los medios.
2. El experimento ICARUS usa el mismo haz de neutrinos desde CERN usado por OPERA, sin embargo ICARUS no midió el tiempo de vuelo de los neutrinos entre Suiza y Gran Sasso, por lo tanto ICARUS no puede confirmar o refutar el resultado de OPERA de manera directa usando el análisis que ha presentado hasta la fecha.
3. El análisis de ICARUS se basa en una propuesta teórica presentada días después del anuncio de OPERA. El 29 de septiembre, Andrew G. Cohen y Sheldon Lee Glashow (el parecido del nombre con Sheldon Lee Cooper es sólo una coincidencia) mostraron que si los neutrinos se mueven más rápido que la luz entonces estos perderían energía al propagarse. Esta pérdida de energía no fue observada en OPERA por lo cual se considera una prueba teórica de que algo debe estar mal con la interpretación de neutrinos superlumínicos ya que la no observación del fenómeno significaría que los neutrinos viajaron más lento que la luz. El paper de Cohen y Glashow (CG de aquí en adelante) es uno de los más notables entre los cientos de papers que se han presentados desde el anuncio de OPERA y es además el único de estos cientos que ha sido publicado en una revista científica hasta la fecha (también ha recibido críticas por su poca referencia a trabajos anteriores en los que la misma idea había sido expuesta, ver por ejemplo la interesante crítica de Francis a la revisión del paper CG). Sin embargo, algo que no se menciona demasiado es que el cálculo de este paper se basa en un límite muy particular (obtenido después de una serie de aproximaciones) de una teoría más general. Esto no significa que el resultado esté mal, sin embargo dado que el resultado de OPERA nos llevaría a cuestionarnos los fundamentos de la relatividad no es una buena idea utilizar un conjunto de suposiciones para tratar de verificar o excluir un resultado experimental.
4. ICARUS buscó si los neutrinos perdían energía como el argumento de CG describe si los neutrinos fuesen superlumínicos. El resultado es que ICARUS no encontró dicha pérdida de energía. Sin embargo eso es algo que ya sabíamos porque OPERA tampoco observó este fenómeno. Desde este punto de vista el resultado de ICARUS no entrega nueva información en lo absoluto, y mucho menos refuta el resultado de OPERA.
5. Resumiendo, ICARUS no refuta el resultado de OPERA, ICARUS sólo reafirma un resultado que ya conocíamos hace meses de OPERA: la pérdida de energía predicha por CG (basándose en una serie de suposiciones) no se observa. Las posibilidades son:
   a) los neutrinos no son superlumínicos, algo que hasta la fecha ningún experimento ha verificado;
   b) las suposiciones usadas por CG son insuficientes para una descripción completa de los neutrinos, lo cual tampoco tiene verificación experimental hasta la fecha.

En conclusión, el paper de CG proporciona un interesante argumento teórico que parece complicar la interpretación de neutrinos que viajan más rápido que la luz, sin embargo el argumento no es general por lo cual los neutrinos podrían ser superlumínicos ya que la naturaleza podría simplemente no satisfacer las suposiciones de CG. El resultado de ICARUS es interesante porque es consistente con la observación de OPERA, sin embargo no proporciona información alguna para verificar o refutar la interpretación de neutrinos superlumínicos.

Una vez más, desconozco el motivo por el cual esta noticia que tiene más de un mes ha sido presentada hoy como nueva, sin embargo los titulares rimbombantes y erróneos que hablan de la refutación del resultado de OPERA basados en argumentos infundados siguen igual de erróneos. Quizás los medios están muy sensibles por la importancia del anuncio de OPERA y están ansiosos de que haya nuevos anuncios, sin embargo bombardear al público con información antigua y errónea sólo lleva a que se pierda el interés en el que podría ser el descubrimiento del siglo. Personalmente me mantengo escéptico del resultado hasta que MINOS presente pruebas de que el mismo fenómeno se observa en un experimento independiente. Habrá que esperar unos meses para ello.