Novedades Fisica de Particulas Otoño 2011

Hola Elementales,

Hace tiempo que tenia la oportunidad de publicar una nueva entrada, espero que en breve cambiará.

El CERN ha anunciado que el LHC la máquina más potente y compleja jamás creada por el hombre, la más cara y la más esperada, por fin ha llegado a su máximo nivel de intensidad (batiendo no sólo el récord mundial sino hasta el de funcionamiento previsto). Con el máximo nivel de energía ya alcanzado y ahora el de intensidad...es sólo cuestión de tiempo que descubramos algo de física realmente nueva. Puede que lo hayamos hecho ya, pero analizar los datos hasta ahora obtenidos no es nada sencillo.. (si se hubiera encontrado ya algo realmente esperado se habría descubierto en tiempo real...)

Este tercer trimestre la noticia más espectacular ha sido la publicación por parte del equipo del experimento OPERA en el detector de neutrinos Gran Sasso de unos neutrinos superlumínicos.

El experimento que ya hemos comentado aquí en más de una entrada anterior, trata de estudiar las propiedades de los neutrinos. Con un detector enorme, analiza los neutrinos producidos en el CERN (en el anillo subterráneo a las afueras de Ginebra) bajo condiciones muy controladas en su viaje atravesando la tierra hacia el detector en Italia, a unos 750Kms. Los neutrinos practicamente no interactúan con la materia, son partículas fantasmales, así que practicamente todos llegan al detector. Allí si alguno choca contra un núcleo de se detecta como un fogonazo de radiación Zerekov... 

El experimento es uno de los varios que se están realizando para analizar mejor las propiedades de tan enigmáticas partículas y sobre todo la extraña "oscilación neutrínica": básicamente creemos que los neutrinos cambian de sabor conforme avanzan (de entre los tres posibles conocidos hasta la fecha: electrónico, muónico y tauónico). 

La sorpresa fue que anunciaron algo sorprendente e inesperado: los neutrinos parece que habían llegado unos 60 nanosegundos antes de lo previsto, habían superado incluso la velocidad de la luz en el vacío! algo totalmente imposible según las leyes de la física actuales, en concreto violaría la teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein (que también hemos visto en una entrada especial dedicada a ella).  

Las posibilidades son sencillas: o está bién realizado el experimento y se revoluciona la ciencia, o bien el experimento tiene algún fallo. Pero los científicos del mismo dicen que después de haber revisado todo varias veces no encuentran el fallo por ningún sitio! Por eso lo han publicado, para que algún sesudo científico de algún otro sitio lo revise... y si hay fallo lo encuentre... y si no, que algún otro grupo de experimentación del mundo lo realice, repita y refute o confirme.

Así es la ciencia: todo debe poder ser revisado y confirmado o refutado! Por las implicaciones que tendría, y porque se basa en principios muy sólidos, creemos que lo más probable es que haya un fallo en el experimento, pero no lo han encontrado.

Un grupo encabezado por el físico teórico Carlo Contaldi del Imperial College de Londres,ha dicho que no se ha tenido en cuenta el efecto de la propia relatividad especial en los relojes de los GPS, por la diferencia entre la gravedad en tierra y a la altura de los satélites, así como entre ambos puntos de emisión y medida... hay quien dice que el efecto debería ser casi despreciable y éstos afirman que al menos podría explicar unos 20 nseg de diferencia.. los cálculos son muy complejos y se están revisando (por no hablar de la medida del campo gravitatorio de la Tierra en superficie que no se ha medido aún con la precisión requerida, aunque hay un proyecto en marcha para ello..)

Sheldon Glashow el premio novel de fisica (un teórico, de quien también hemos hablado) ha publicado datos que lo desestiman. La huella de una partícula superluminica debía ser otra... en concreto adquiriría tanta energía como para decaer en sí misma (pero  con menor energía) y en alguna otra partícula (las normales no pueden... al ir por debajo de c), así a partir de cierto nivel de energía no habrían llegado, sólo habrían detectado neutrinos de baja energía y algunos menores a las de los emitidos... y el espectro de los datos publicados no presenta ese efecto de filtro...

Estaremos atentos a las noticias entorno a estos neutrinos... pero ya han conseguido algo positivo: en toda la prensa, incluida la generalista se ha hablado de esto! Un gran éxito mediatico, teniendo en cuenta las reducciones presupuestarias para todos los centros de investigación, no vienen nada mal un poco de luz sobre estos aspectos para que se mantengan los aportes monetarios que los soportan...nada hay más rentable que invertir en ciencia básica (para los que no crean que descubrir la naturaleza y conocer nuestra realidad más profunda no sea suficiente premio y legitimación): cada euro invertido aquí retorna más de 14. Casi todos los descubrimientos más sorprendentes en materiales, supercomputación, etc... incluido internet y el correo electrónico se descubrió e inventó para estos experimentos tan colosales, donde colaboran miles de científicos, ingenieros, técnicos, etc... de varias decenas de países en perfecta armonía, con fines totalmente pacíficos y publican todo  (sin secretos de estado para el progreso de la humanidad).

¿Sabéis que consecuencias tendría el que hubiera partículas masivas más rápidas que la luz en el vacío?

Un saludo Elementales

Francisco Jose Menchen Caballero

Acaban de publicar el 18 de Noviembre de 2011 la confirmacion de los resultados a pesar de tener en cuenta los pequeños erroes que se habian despreciado antes... habra que repetir este experiemento en otras partes del mundo. Los problemas podrian venir por la forma en la que se deben sincronizar los relojes entre los dos centros, el de emision en el CERN y el detector en Italia, hasta el punto que se plantean usar una fibra optica que los una... y el segundo es si la cadencia de pulsos de neutrinos es adecuada para el tipo estudiado (tipo tau)...

"A measurement so delicate and carrying a profound implication on physics requires an extraordinary level of scrutiny - said Fernando Ferroni, president of Italian Institute for Nuclear Physics (INFN) - The experiment OPERA, thanks to a specially adapted CERN beam, has made an important test of consistency of its result. The positive outcome of the test makes us more confident in the result, although a final word can only be said by analogous measurements performed elsewhere in the world".

Novedades de Fisica de Particulas Verano 2011

Hola Elementales,

No, no os he abandonado, es que tampoco como vereis la investigación básica avanza a un ritmo tan trepidante como nos gustaría...

Desde el último avance ha habido varias publicaciones que básicamente van en estas direcciones:

1. Comprobada la oscilación desde el neutrino muonico al neutrino electrónico. El neutrino del muón "cambia de sabor" conforme viaja. Se ha medido el efecto incluso en una distancia tan pequeña. Bajo condiciones controladas, produciendo neutrinos muonicos y atravesando la tierra unos 800Kms.

Primero lo publicó Japón con su experimento T2K, quien publicó los datos hasta el momento. justo tras el Gran terremoto y Sutnami que afectó a todo el país y que efectivamente ha afectado a este gran centro de investigación. Aún están evaluando daños y es pronto pero parece que estará al menos bastante tiempo sin poder trabajar.

El gran detector Superkamiokande en Kamioka, detecta los neutrinos producidos en el J-PARC (Complejo de Investigación y Acelerador de Propones Japones). Ambos centros distan 295Kms uno del otro. Se envían neutínicos y se reciben electrónicos!

J-PARC_T2Kneutrino

Unos quince días después lo corroboró el experimento MINOS en el FERMILAB (Chicago en USA) . Donde han producido igualmente los neutrinos  eran enviados a través de la Tierra hasta el detector situado a mucha profundidad en una mina abandonada de Soudan (Norte de Minnesota) a unos 780Kms de distancia y midió dicha oscilación.

MINOS experiments

 

Falta por medir con precisión el cambio, si se produce y en que proporción, hacia el neutrino Tau, muchísimo más difícil de detectar. Ya se están preparando detectores para tal efecto...os mantendremos informados.



Detector CDF en el Tevatron



2. Se publicó en el Tevatrón (Fermilab, cerca de Chicago) hace bastantes meses (como un año y algo) que por fin en un experimento en el que se chocaban dos chorros de protones y antiprotones y en el que se producía un boson W y dos chorros de hadrones, se comprobaba un incremento de sucesos cuando se rondaba la frecuencia de los 150GeV, cuya proporción se desviaba significativamente de las predicciones del Modelo Estandard. Lo más sencillo era que se hubiera descubierto una nueva partícula!. Por la energía podría ser la partícula de Higgs, pero por el tipo de experimento se descartaba esa hipótesis: y las apuestas se dispararon para intentar adivinar qué se había pescado!. Pues bien, la noticia es que esos datos eran debidos al detector "CDF", se repitieron y se volvieron a confirmar. Pero repitiendo el mismo experimento en el otro detector del mismo centro, el "D0", los datos sí se adaptan a la predicción del modelo! O sea, que en el mismo centro tenemos dos resultados... hay que comprobar ahora cuál de los dos está mal y por qué.

 Como sabéis el modelo actual que tantos éxitos ha cosechado durante los últimos 30 años, y cuya única pieza sin encontrar es el famoso "bosón de Higgs" (nada menos que la partícula que puede dotar de masa al resto...), o cualquier otro mecanismo que produzca algo similar. Ya se sabe que para incorporar a la gravedad y demás fuerzas (si las hay...como el inflatrón, etc...), y para continuar avanzando en la escala de lo más pequeño todavía, lo que en física de partículas equivale a más energía hay que buscar un modelo nuevo que complemente o sustituya al actual modelo estándar. Que sería a la física de partículas lo que el modelo Newtoniano es a la Gravedad clásica: una teoría o modelo que se aproxima aceptablemente bien al mundo en determinada escala, y nos permite calcular con un grado de exactitud suficiente. Por ejemplo para cálculos en la Tierra a velocidades no relativistas entrega resultados que coinciden con la Relatividad en un factor similar a la velocidad de la luz (deberíamos recorrer muchísimos decimales para encontrar la primera discrepancia). Siempre que obviemos los principios fundamentales que subyacen debajo de la misma, a efectos de puro cálculo.

Detector AMS2 en la estación espacial ISS

3 ¡Por fin el detector AMS-2 está en el espacio y bien acoplado a la estación espacial internacional ISS!. Fue en el ultimo vuelo del transbordador Endevour. Es un detector como el de los aceleradores de partículas pero especialmente diseñado para detectar los "rayos cósmicos": partículas muy energéticas procedentes del espacio, la mayoría protones y núcleos atómicos a una velocidad increíble, pero también, esperemos, nuevas partículas aun no detectadas o muy escasas: como antimateria (antinucleos de helio, etc...), partículas subatómicas exóticas, supersimétricas, materia oscura, etc... También nos dirá qué nos espera en un viaje espacial más allá de la Luna, por ejemplo a Marte y cómo protegernos de estas radiaciones...

Video de AMS-2

4. El origen de la enorme cantidad de energía, en forma de calor, que produce el interior de la Tierra:

El experimento KamLAND, con base en Japón,  ha medido con mucha precisión la energía que genera el Manto y el Núcleo de la Tierra (nada menos que 44 Ws Terawatios), vía el estudio de los antineutrinos que se producen en las reacciones de desintegración radiactiva de los isótopos  que se hundieron en la formación de la Tierra (principalmente Uranio, Torio y potasio radiactivo).

Pues bien, se ha demostrado con un exactitud del 97%, que la mitad de esa energía se produce por la radiactividad natural. Otra parte (pequeña) se debe al calor residual de la formación del planeta ... el resto aún es un misterio..

Se producen unos 8TWs por el decaimiento del Uranio (U) 238, otros 8TW por el Torio (Th) 232 y 4TW por el Potasio (K) 40.

El experimento discrimina la distribución de dichos isótopos a lo largo de la profundidad de la Tierra, así los elementos del manto son más bien "litofilos" (elementos que aman las piedras como silicatos...) y los del manto tipo "siderofilos" (elementos que aman al hierro y los metales).

Esa fuente de energía es la que mantiene encendida la dinamo magnética de La Tierra que nos apantalla de las peligrosas radiaciones procedentes del espacio, sin la cual no podría haber vida en la Tierra tal y como la conocemos.

Articulo de Geofísica

 

5. Creada la partícula Xi-sub-b neutra:

En el LHC en Ginebra, se ha creado y medido con mucha precisión una nueva partícula de la tabla periódica de los bariones (partículas formadas por tres quarks, la mas ligeras el protón y el neutrón forman casi toda la materia "normal" como de la que estamos hechos, en su caso dos quarks up y uno down y viceversa: uud y udd).

Esta partícula esta formada por un quark botton, uno strange y uno up: bsu. Como el strange es una especie de quark down mas pesado y el botton también pero más pesado aún, la partícula es una especie de neutrón superpesado (unas 6 veces más).

De todas las combinaciones posibles y predichas de los 6 tipos de quarks: las combinaciones de estos 6 elementos tomados de 3 en tres, hay que sumarle que los quarks tienen spin (momento magnético) y la versión de menor energía tiende a tenerlos no orientados y también se dan en versión más energética con los tres spines orientados... de todas ellas estamos terminando las que poseen un quark "b".. quedan las de dos y la de tres y todas las que incluyan un quark "top"... muchisimas.

Medir con precisión todas sus propiedades y compararlas con las predichas por el modelo estándar puede arrojar pistas sobre si conocemos bien o no la naturaleza a ese nivel de energía... y pistas sobre los siguientes niveles y que teorías podrán venir a sustituirla o complementarla.

6. La sopa de quarks y gluones creada en el  LHC al final del año pasado, mucho más energética que las creadas en el Tevatrón, ha permitido tras estudiar la gran cantidad de datos generados, intuir nuevas propiedades de la fuerza de color. El modelo de la Cromodinámica Cuántica describe muy bien a los quarks y sus interacciones del "color" con los gluones pero en estados de casi plena libertad (asintótica claro, no se pueden alejar mucho, pero si no lo hacen se comportan como partículas libre a distancias típicas del interior del protón, es como si estuvieran atados por una cadena muy poderosa). Pero en la sopa de quarks y gluones la interacción entre todos ellos es muy intensa y se comportan como un fluido (de hecho como un superfluido)... y el tipo de nueva propiedad se asemeja más a "teorías Gauge tipo Yang Mills"... habrá que seguir avanzando en la escala de energías...

Un saludo Elementales

Francisco Jose Menchen

La Isla de la Estabilidad: Materia Oscura

Hola Elementales,

Halos de materia oscura tejen el espacio uniendo
galaxias, cúmulos de galaxias, etc...

Es curioso como la historia va quitando y poniendo de moda teorías, que tan pronto se vuelven populares   como se olvidan. Para mucho más adelante desempolvarse y volver a ponerse en auge...

Para los griegos el mundo podía explicarse a partir de un número limitado de elementos. Así, para Aristóteles eran 4 elementos: tierra, agua, aire y fuego, más un quinto elemento para poder explicar el mundo perfecto de las estrellas y demás cuerpos celestes. A este quinto elemento se le denominó "quinta esencia" (hace poco se ha vuelto a pensar que hace falta finalmente).

Durante toda la Edad Media se daba por sentado que el mundo estaba dividido entre lo terrenal y lo divino,  la esfera terrestre y las esferas donde habitaban los planetas, el Sol y tras ellas... el mundo mítico.

Fue Isaac Newton quien demostró que las leyes del movimiento de los planetas eras las mismas que las de la caída de los cuerpos en la Tierra, con su famosa Ley de Gravitación y su dinámica.

Todo el avance de la ciencia desde entonces (y hasta hace muy poco) ha ido avanzando unívocamente en la misma dirección: el descubrimiento de las leyes de la química, y el análisis espectral, confirmaron que incluso la estrella más distante estaba compuesta por los mismos elementos químicos conocidos en la tabla periódica.

Por todo ello se postuló que las leyes de la ciencia debían ser iguales en cualquier parte del Universo y en cualquier otro momento (eran invariantes en el espacio y en el tiempo en nuestro Universo). Hoy en día hay dudas, no del todo descabelladas, de que sea realmente así: puede que las constantes de las fuerzas de la naturaleza no hayan sido siempre así, o puede que sí. Incluso puede que no lo sean ahora en otras partes del Universo...

Todo el avance en el microcosmos del siglo pasado no hizo sino avanzar en la misma idea: en vez de elementos (átomos), había electrones, protones y neutrones. Después se cambiaron los elementos fundamentales más pequeños: por quarks, neutrinos y electrones. Nuevos actores en el teatro del microcosmos pero el mismo juego básico.

El avance en el nivel de energía (y en el tamaño cada vez más pequeño) descubrió algo relativamente nuevo: partículas que no pertenecían a nuestro mundo cotidiano. Como los elementos químicos más pesados , los últimos 4 quarks y leptones, la antimateria. Todos ellos partículas inestables y radiactivas: no perduraban, sus vidas medias eran de hecho cortísimas (hasta fracciones minúsculas de segundo como mili, micro, nanosegundos, etc...).

La interpretación oficial tampoco varió la filosofía general: son partículas inestables al nivel de energía al que se encuentra ahora nuestro universo, y en concreto nuestro mundo, pero existieron y eran frecuentes en momentos, o en otros lugares, anteriores cuando el Universo estaba mucho más caliente.

Por más que avanzábamos en el nivel de energía, más convencidos estábamos de que sólo faltaba por descubrir la estructura más pequeña de la materia, y por recrear las condiciones del Universo inicial, el comienzo de todo, y descubrir las interacciones entre ellas a esas energías. Pero se creía que todo lo que se encontraba o hallaba no existían en nuestros días...

Tabla de todos los isótopos posibles en esquema x/y
x: numero de protones
y: numero de neutrones
Y posible isla de estabilidad más adelante...

Hubo un sueño de encontrar una "Isla de Estabilidad" con isótopos no-radiactivos más allá de los elementos conocidos... ya se ha creado artificialmente hasta el elemento número 112 (con 112 protones). Todos los elementos a partir del plomo son radiactivos, esto es, inestables y se desintegran de forma espontánea en otros con configuración energética menor... ¿habrá algún elemento "estable" trasuránico? Aún no tenemos respuesta... las ecuaciones que gobiernan los átomos grandes las conocemos bien, pero el sistema es tan complejo de calcular que no podemos resolverlas aún. Es decir, predecir a priori el resultado de un núcleo introduciendo el número de protones y de neutrones, y determinar cómo serían todas sus propiedades, (incluyendo su carácter radiactivo). O simplemente demostrar que no hay elementos no radiactivos tras el plomo.

Hay varios centros de investigación trabajando de forma empírica en ello: bombardean núcleos pesados con neutrones, protones, otros núcleos más ligeros... o lanzan dos núcleos medianos que tras chocar se fusionan (así se han conseguido los últimos éxitos).

Pero todo el mundo daba por sentado que las partículas subatómicas eran, con excepción del protón, inestables. El neutrón sólo es estable unido a un núcleo, es la partícula inestable más longeva: vive 1 segundo fuera de un núcleo. Los quarks no pueden existir "solos" por su carga de color. Los electrones y los neutrinos sí son estables...

Choque de dos galaxias: el halo de gas intergaláctico interactúa
fuertemente en el choque y radia en rayos x, rosa en la foto.
La materia oscura no interactúa y cruza fantasmalmente sin
frenarse en azul.

De repente descubrimos que lo más grande estaba delante de nosotros todo el tiempo y no lo habíamos visto, ni nos habíamos percatado de ello: hay algo en el Universo en cantidades ingentes. y ni lo vemos ni lo podemos detectar, sólo sabemos que existe por sus efectos gravitatorios: las galaxias no podrían ni existir, se disgregarían al rotar, si no hubiera algo que tirara gravitacionalmente de ellas y las mantuviera con la forma que nos es familiar. Lo mismo sucede con los grandes cúmulos de galaxias y estructuras gigantescas en el Universo... "sentimos" su tirón gravitacional, y en algunos casos podemos calcular su masa también por el efecto de "lente gravitacional" predicha por la teoría de la Relatividad de Einstein (como una gran masa curva el espacio, curva también la trayectoria de un rayo de luz al propagarse por él... como una lente).

Efecto de las lentes gravitacionales fuertes
observado por el Telescopio espacial Hubble
en Abell 1689 que indica la presencia de materia
 oscura. Agrandar la imagen para ver los arcos
 producidos por las lentes gravitacionales.
 Créditos: NASA/ESA Cortesia de Wikipedia.

Ese "algo" de lo que no tenemos ni idea de qué puede ser, se ha venido en llamar "materia oscura" y sea lo que sea debe de haber cuatro veces más cantidad que de toda la materia "normal" o bariónica (de la que estamos hechos usted y yo y las estrellas, los planetas, etc...).
Se abre el debate: ¿sólo está en el Universo y no en nuestro mundo?¿O también está aquí y no la hemos sabido detectar? Tal vez está pero sólo la detectamos en cantidades ingentes tan grandes que parece no afectar ni a escala planetaria, ni a nivel de una estrella, ... sólo a nivel galáctico o mayor comienza a notarse.

Para postular candidatos a algo así, se han empleado a fondo: básicamente podría haber materia oscura caliente y fría.

Simulación de cómo se distribuiría la materia
oscura con el modelo "frío". Y se ajusta muy
bien a todas las medidas y efectos observados

La materia oscura caliente podría estar constituida por partículas que viajan a velocidades relativistas. Podrían ser neutrinos muy pesados y partículas así. Por las medidas efectuadas sabemos que, si hay de este tipo, no es un constituyente en proporciones significativas... puede ser un pequeño ingrediente pero no su principal.

También se ha pensado en toda la materia bariónica ocultable  MACHO : estrellas enanas apagadas, enanas marrones, planetas expulsados de sus órbitas lejos de estrellas, nubes de gases no brillantes, etc... (sigue siendo un posible componente de muy poco peso).

La materia oscura fría: estaría compuesta por partículas estables, que no interactúan con las fuerzas tradicionales salvo la gravedad y quizá pero muy tímidamente la interacción débil. Se han postulado partículas como las como los WIMPs y los axiones

Los Axiones eran unas partículas postuladas para conseguir que se conservara la simetría CP en las interacciones nucleares fuertes en el marco de la teoría de la Cromo dinámica Cuántica. Al igual que en su día se postuló el neutrino para que se conservara la energía. Con todos nuestros respetos el principio de conservación de la energía era y es mucho más importante, por las consecuencias e implicaciones que tendría el no cumplirse, tanto en efectos como en principios. En cambio la simetría CP aún no estamos seguros...pero puede ser tan interesante que se cumpla como que no. De existir no interactuarían con la fuerza fuerte, ni con la la electromagnética y serían muy pequeños... Se pensó que tal vez podrían ser parte de la materia oscura, pero las ultimas estimaciones dicen que tendrían una masa inferior a 10^-7 eV lo que practicamente los haría insignificantes aunque fueran reales...

Los WIMPS (Weakly Interactive Massive Particles) o Partículas de interacción Débil Masivas, son como su nombre indica, unas hipotéticas partículas que se han postulado para intentar explicar lo que se conoce de la materia oscura: serían como los neutrinos: sólo interactúan con la gravedad y la fuerza débil, pero no con el electromagnetismo ni con la fuerza nuclear fuerte, y si acaso con alguna fuerza más, aún no descubierta más débil aún que la débil. Serían muy pesados comparados con los neutrinos, lo que explicaría que se muevan muy despacio y con gran inercia, tal y como lo hace la materia oscura. No hay ninguna partícula en el modelo Estándar que sea como ésta: habría que buscarla fuera de él. Una posible partícula serían los  neutralinos propuestos por la modelos supersimétricos .



Esquema de Supersimetría. Cortesía de Wikipedia.



Supersimetría:
Aunque dedicaremos una entrada en exclusiva a estas teorías, haremos una pequeña introducción. Empezaron por intentar explicar por qué hay el mismo número de determinadas partículas como leptones y hadrones, y que las cargas "coincidan" (el electrón parece tener la misma carga que el protón) se empezaron a desarrollar nuevos tipos de simetrías que consiguieran que no hubiera que ajustar a mano, si no que fueran una necesidad por el tipo de universo en el que vivimos. Avanzando en estas ideas surgen nuevos tipos de partículas: unas (bosones) portarían y generarían nuevas fuerzas aún desconocidas; y otras,  nuevos tipos de partículas (fermiones).


Así, la teoría más aceptada, y que forma parte de hecho de las teorías de cuerdas llamadas supersimétricas por esta razón, viene a postular que a cada fermión le corresponde un nuevo bosón, al que se le llama igual pero comenzando por "s": slectrón, sneutrino, squarks (sup, sdown, sstrange, scharmed, sbotton, stop), smuon, stau, ... (y así si hubiera más familias). Todos ellos representarían exóticas nuevas interacciones.

Y a cada bosón le correspondería un nuevo fermión, esto es una nueva partícula. Se denominaría como el bosón terminado en "ino": fotonino, gluonino, zino,wino, higgsino...
Todas ellas serían mucho más pesadas que sus respectivas compañeras supersimétricas, de ahí que aún no se hayan detectado. ¿O no las hemos buscado, ni sabido cómo hacerlo? Como prueba de ello, muchos grupos de investigación se han puesto a volver a revisar todos los datos almacenados del antiguo LEP(la maquina anterior al LHC en el mismo anillo de Ginebra del CERN) y de la anterior en el  Fermilab para buscar trazas de partículas descartadas como ruido estadístico, etc...

El neutralino sería la más ligera de todas o una combinación o superposición de estados de varias de ellas...

La partícula más ligera sería muy, muy pesada, pero como no hay forma en la teoría de que se desintegre en alguna partícula más ligera de su mismo grupo sería estable! Habría un principio de conservación de la supersimetría, no hay fuerza que conmute entre las partículas conocidas y las nuevas supersimétricas o viceversa...

¿Cómo es posible? ¿Habrá, finalmente, materia estable a muy alta energía? ¿Habrá al final de todo la tan buscada Isla de Estabilidad? ¡Estaría en el mundo de las partículas subatómicas, tras todas las que ya se conocen inestables, y no en el mundo de los átomos! Toda la comunidad científica está en ello... al fin y al cabo la materia oscura es una forma de decir "no tenemos ni idea" ni lo esperábamos....

¿Qué pensáis vosotros Elementales? ¿Se os ocurren más candidatos a componentes de la materia oscura? ¿No podría ser que al final simplemente no entendamos tan bien como creíamos la Gravedad? Hay más explicaciones... pero esta es la única coherente con todo lo que sabemos... que paradojicamente resulta ser que no sabemos... la ciencia básica es ahora mismo todo un espectáculo, parece que no agotamos sus sorpresas más fundamentales...

Estamos ansiosos por tener nuevas noticias. ¡Y tan pronto surjan os tendremos informados!

Un saludo Elementales


Francisco Jose Menchen

Novedades CERN Invierno 2011

Detector ATLAS durante la parada estival. Foto cortesía del CERN

Hola Elementales,

No se a vosotros, pero a mi esto de que la maquina más potente del mundo, que ha tardado más de 10 años en construirse, se haya apuesto en marcha, y no se haya encontrado todavía nada muy espectacular, ni nueva física y encima está más tiempo parada que funcionando me parece muy frustrante.

Pero es lo que hay... bueno al menos os cuento dónde estamos y la hoja de ruta.

En breve, posiblemente este mismo mes de febrero, se ponga de nuevo en marcha, tras el obligado parón estival para reajustar la máquina (y ahorrar energía a la zona en su pico de demanda anual).

Se ha decidido, contrariamente a lo programado inicialmente. mantener funcionando al sistema durante un año más en la banda de energía de hasta 3,5TeV por haz de protones.

La verdad es que según sus responsables ha funcionado muy bien en 2010, incluso mejor que lo esperado, pero no se han generado datos suficientes como para considerar completamente explorados los niveles de energía de la banda de

trabajo en la que se han movido. Falta sobre todo un poco más de intensidad, lo que se espera produzca datos a un nivel unas tres veces superior al del año pasado.

Tras esto volverá a pararse a finales del 2011, volverá a arrancar hasta finales del 2012. Fecha en la que se hará una parada muy larga para reajustar y cambiar la máquina hasta conseguir que trabaje a su máxima potencia teórica para la que se ha diseñado: 7 TeV por haz, con fecha prevista del 2014.

Si la naturaleza fuera "buena" se puede esperar encontrar "nueva física" en este rango durante 2011 o 2012, tal vez la primera/-s partícula supersimétrica: las más ligeras predichas por alguno de los modelos, o el Bosón de Higgs, postulado como posible con masa en este intervalo (hace ya mucho que se entró en la banda de los posible con respecto a su masa, cada experimento acota mejor la masa máxima posible y por descarte ajusta la mínima). Si no se encuentra nada nuevo, se habrá explorado bien esta banda de energía y se procederá al parón de finales del 2012...

La cuestión importante es que el CERN sólo recopila datos. Múltiples centros en todo el mundo los analizan y contrastan con otras tantas teorías o aspectos objeto de estudio específico. Para ello necesitan suficientes datos y algo de tiempo. Por supuesto que de lo predecible en el propio CERN hay tantos científicos brillantes y modelos que han elaborado durante años: "huellas" de cómo serían las trazas de las partículas esperadas con las propiedades esperadas, que si aparecen se detectarán casi en "tiempo real". Nada de esto ha sido detectado hasta ahora.

Tampoco ha sido un fracaso por esta razón. Se ha medido con mucha precisión características e interacciones ya conocidas y los datos empiezan a diverger de los esperado con el modelo Standard, luego sabemos que una nueva teoría lo reemplazará, pero aún no son lo suficientemente concluyentes como para determinar cuál de las candidatas a sucederla parece perfilarse. O como para descartarlas a todas y empezar a pensar en algo radicalmente nuevo e inesperado.

No obstante, a parte de diferencias sutiles que se han encontrado entre materia y antimateria, se ha encontrado un efecto no esperado: fragmentos de la colisión entre dos protones se han observado que salen despedidos de forma "correlacionados espacialmente", vamos, de forma muy ordenada entre ellos (no parece lo esperable de trozos de una colisión...) y la razón más plausible es que ya lo estuvieran los quarks que lo componían antes de la colisión... arrojando alguna pista sobre una nueva característica de la fuerza de color y los gluones que lo componen y mantienen unidos. Esto es muy interesante y mejorará nuestro conocimiento de dicha fuerza... pero no es la supernoticia que todos esperamos.

Os mantendremos informados...

Un saludo

Francisco Jose Menchen  

La Nebulosa del Cangrejo: aun guarda sorpresas

Hola a todos,

Los últimos meses ha tenido lugar una sorpresa mayuscula: la nebulosa del cangrejo fascinó a los científicos con unos fogonazos de rayos gamma, (fireworks—gamma-ray flares) increiblemente energéticos. Y eso que se pensaba que era un objeto estable y tranquilo.

La nebulosa del cangrejo tiene una historia muy interesante: en 1054 los astronomos chinos y algunos de oriente medio dejaron constancia de la aparición de una nueva estrella, en lo que nosotros denominamos constelación de tauro, que de pronto se volvió tan brillante que alumbraba tanto como la luna, y que se veía incluso de día... y así estuvo durante muchos días. Es curioso que sucediendo en plena era con documentación histórica no quedara constancia escrita o registro alguno en Europa. Al mirar en esa dirección con nuestros medios descubrimos el siglo pasado una preciosa nebulosa. En su centro se encuentra uno de los objetos más increibles: un púlsar. Lo que vieron fue una supernova. Veamos cómo lo cuenta Carl Sagan (lo siento pero el audio esta en inglés):

Un púlsar es el resultado de una explosión tipo supernova. Es el desenlace inevitable de una estrella algo más pesada que nuestro sol, una vez y media mayor ya es suficiente. Cuando agota su combustible, al fallar las reacciones termonucleares que la sostenían, la estrella colapsa por su propio peso: nada detiene ya a la gravedad. La masa total de la estrella puede no obstante ser compensada, si su masa no es mucho mayor: los electrones son aplastados contra los nucleos, creando una gigantesca bola de neutrones, que debido a la fuerza de repulsión del principio de exclusión de Pauli, ya que los neutrones obedecen a dicho principio (que en el fondo dimana de la fuerza electromagnetica o con la unificación actual electrodébil). Así pues la gravedad no es lo bastante grande y la estrella encuentra una nueva configuración estable como una "estrella de neutrones".

Una estrella de neutrones es una especie de "núcleo atómico gigante": una estrella del tamaño de una gran ciudad, unos 15 Kms de radio, con toda la masa de una estrella mayor que nuestro sol... su densidad es inmensa (se dice que una cucharada de esa sustancia pesaría como una montaña entera en la superficie de la Tierra).

Como el tamaño se ha reducido de manera tan increible en un tiempo muy corto: se producen dos efectos: uno por el principio de conservación del momento angular la estrella comienza a girar mucho más rápido (como el patinador que encoge los brazos y las piernas y rota más rápido... pero en una magnitud inimaginable). El segundo efecto se refuerza con el primero: el gran campo magnético de la estrella al reducir su volumen se amplifica de forma cuadratica con la disminución del radio...creando una estrella increíblemente magnetizada: a algunas las llaman "magnestars" o magnetoestrellas. Estas magnetostrellas llegan a tener campos magneticos del orden de 10^11 y 10^14 Teslas! Para que se hagan una idea, en la Tierra se han conseguido campos magneticos de hasta algunas unidades o decenas de Teslas (el Tesla es una unidad de medida tan grande que en el día a día no resulta practico y se emplea el Gauss 10.000 veces menor, el campo de la Tierra por ejemplo es de 0,5 Gauss). 

El resultado es u  púlsar , una estrella que rota con una enorme velocidad, muy precisa, y emitiendo un haz electromagnético como si de un faro espacial se tratara. 

La primera vez que se detectó la señal de un púlsar se pensó haber contactado con otra civilización extraterrestre y se mantuvo en secreto... ya que no se imaginaban qué podía producir algo parecido a una portadora de comunicación como las que en la Tierra empleamos para emitir un canal de una emisora de radio o TV por ejemplo... La nebulosa del cangrejo emite exactamente cada 33 milisegundos, con una precisión asombrosa.

Según las teorías al uso, como el campo magnético al rotar se opone a dicho giro, actúa de freno, y debe poder predecirse la ralentización del giro. Que disminuirá su frecuencia de forma muy, muy lenta a lo largo del tiempo. En unidades astronómicas este objeto es muy reciente y por eso aún gira muy rápido.

Según la teoría de Einstein por su enorme masa en rotación debería emitir ondas gravitatorias, que aún no se han detectado, lo que igualmente le haría ir perdiendo energía y disminuir su rotación de forma gradual. Se cree que dicho efecto sí se ha podido medir en otros pulsars más antiguos donde el efecto tras mucho tiempo sí es apreciable.

Este objeto no es nuevo, de hecho es el número 1 de la famosísima lista o  catalogo de  Charles Messier  en  1771. Así se le llama M1.

Messier era un gran aficionado a los cometas (un cazador de ellos, por mejor decirlo) y elaboró ese catálogo para no confundirse constatemente con objetos que él sabía que no lo eran. Ver para apreciar la Lista de objetos del Catalogo de Messier

Es una lista de cúmulos globulares, nebulosas y galaxias (la M31 es la famosa galaxia de Andromeda, la más próxima a nosotros y creemos más parecida).

La nebulosa del cangrejo se encuentra a 6.500 años luz en la constelación de Tauro. Por supuesto Messier nunca llegó a imaginar lo lejos que estaba, para él era un cuerpo gaseoso dentro de nuestra galaxia, por aquel entonces todo el universo conocido.

Sabemos que el pulsar emite una cantidad tan colosal de energía que irradia y excita toda la nube de gas a su alrededor hasta una distancia de 6 años luz! creando uno de los objetos más bellos que se pueden observar con nuestros telescopios. La energía emitida es tal que hace que la nebulosa sea 75.000 veces más brillante que nuestro sol.

El pulsar crea un viento de partículas, sobre todo electrones y positrones que viajan a casi la velocidad de la luz interactuando con el enorme campo magnético y con protones más fríos dando lugar a su característica emisión.

Pero esto es lo que se sabía hasta ahora. Lo que se detectó el mes pasado fue un par de fogonazos de rayos gamma que han hecho replantearse toda la teoría de aceleración de partículas. De hecho según los cálculos se trata de una emisión por partículas (casi seguro electrones) aceleradas a la mayor energía jamás observada directamente en cualquier objeto celeste, y por supuesto que acelerada en la Tierra. esos electrones debían tener unos 10 peta-electrónvoltios (peta es 10 elevado a 15), mil veces más energéticos que las partículas más energéticas que hemos producido (el CERN mueve haces a 3,5 Tev, tera son doce ceros, pero no son electrones, sino parículas más pesadas como protones, lo que hace que la aceleración sea menor al ser mayor su masa).

Por el tipo de radiación se piensa que fué del tipo sincrotrón, esto es la energía electromagnetica que emiten electrones al ser acelerados. Por la enorme cantidad de energía y lo rápido del proceso de aceleración, no se conoce un mecanismo para producir tal efecto ni a tal velocidad.



Se conocen recombinaciones de las lineas de fuerza del campo magnético que tienen lugar en la superficie de algunos pulsares, que liberan de golpe una energia de hasta 10^39 Julios! Y que sólo producen "pequeñas" emisiones gamma y del resto del espectro completo (rayos X, ...). Pequeñas comparadas con las medidas en febrero...

La detección se publicó en Science, tuvo lugar gracias al fantástico telescopio orbital de rayos Gamma FERMI Telescopio Espacial de Rayos Gamma FERMI de la NASA por el equipo de Aous Abdo. También fue corroborado por el detector italiano Agile, (de la Agencia Espacial Italiana, ASI) por el equipo de Marco Tavani, proyecto en el que participa también España muy modestamente con el científico Andrea Caliandro, del Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC). Al día siguiente se enfocaron a ella el telescopio espacial Hubble y el Chandra (de rayos X).

En total se han detectado 4 fogonazos, 2 por cada equipo en septiembre del año pasado y este mismo febrero (iguales que otro en octubre del 2007 y no bien localizado).

La energia es sorprendente: fotones con una energía 15 ordenes superior a los de la luz visible.


Bueno esto empieza a entrever el origen de algunos estallidos gamma... pero hay muchos otros que ni sospechamos el proceso que los crea, creemos que en agujeros negros (muy similares pero mucho más masivos que los pulsares) y en choques violentos de nubes de gas (como en choques de galaxias). Iremos sabiendo más, seguro, pero habra que esperar un poco más.


Un saludo Elementales


Francisco Jose Menchen

Algebra III: La Ecuación Cuártica o de Cuarto Grado

Hola Elementales,

Feliz Año Nuevo 2011!

Nos habíamos quedado en nuestro capítulo anterior en que ya sabíamos resolver la ecuación de tercer grado o cúbica. El método pese a tener muchos cálculos, no era nada del otro mundo: sumas, restas, multiplicaciones, divisiones y raíces cuadradas y cubicas...muchos pasos en un orden adecuado. Mucho ingenio en varios cambios de variable y buen ojo en saber llegar a la solución adecuada cuando además del cambio añadimos una variable extra y de los muchas soluciones escogimos la que nos interesaba.

Como dijimos entonces, fue el discípulo de Cardano,  Lodovico Ferrari el que acometió su solución, y la publicó este primero en su famoso libro Artis Magnae

De nuevo se hace un cambio de variable para llegar a la ecuación "deprimida":  Primera Gran idea

Tras sustituir...

Haremos un breve inciso para poder desarrollar un binomio a la cuarta potencia: conforme al binomio de Newton, sólo hay que aplicar un poco de combinatoria: el primer término elevado al coficiente mayor (en este caso 4) y luego todas las combinaciones añadiendo el segundo término, en cada paso aumenta uno el segundo y disminuye uno el primero, hasta llegar al último término donde sólo vuelve a quedar el segundo término al exponente máximo (en este caso 4). Los coeficientes son los números combinatorios de cuatro elementos tomados de 2 en dos: 4 sobre 0: 1, 4 sobre 1: 4, 4 sobre 2: 6, 4 sobre 3: 4 y 4 sobre 4: 1. Así tenemos:

Hipercubo o Teseracto, cortesia de Wikipedia

La interpretación geométrica no podemos dibujarla porque se trata de un Hipercubo , un objeto de cuatro dimensiones, sólo podemos imaginarlo fugazmente por sus proyecciones en 3D (que son cubos). La verdad es que yo nunca he podido "verlo".... Cada vez que "cruza" nuestro Universo en 3D lo veríamos de forma cambiante, como una sombra en 3D de un objeto 4D.... ímaginaros cómo se proyecta la sombra de un cubo 3D en una pared 2D... girarlo para comprobar lo difícil que resulta imaginarse el objeto a partir de las sombras.... 

Si quereis hacer el ejecicio mental os pongo el link a la fantastica página de epsilones: www. epsilones.com Epsilones    descarga del programa d4.exe donde podeis descargar un programa donde se ven las sombras del hipercubo en nuestro mundo de sólo tres dimensiones conforme lo vais moviendo en cualquiera de los 4 ejes...

Y hay un extracto en YouTube de la explicación del siempre genialmente divulgativo Carl Sagan de la serie "Cosmos", que he localizado gracias a http://www.teknoplof.com/. Un día, o varios hablaremos de Carl Sagan y su enorme contribución a la divulgación científica, gracias a él se veía una serie en TV increible en calidad y contenido en hora punta hace años... creo que vamos definitivamente hacia atrás en la televisión.

Recordamos también el del cubo:

Así ya podemos desarrollar la expresión:

Agrupando y simplificando un poco, queda:

Como no tiene sentido arrastrar todos esos paréntesis todo el tiempo, llamémosles, p, q y r respectivamente. Al final podremos deshacer este cambio fácilmente:

La Segunda Gran Idea: ya que no tenemos término al cubo, se puede expresar esa ecuación cuártica, como el producto de dos expresiones al cuadrado...factorizandolo así:

Resolverla no es nada sencillo pero sí un ejercicio de paciencia colosal, ya obtenemos un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas no lineales:

y al resolverlo obtenemos nada menos que una ecuación de sexto grado, pero no con todos los términos. Realmente es una ecuación bicúbica. Con un sencillo cambio del tipo A=a^2, nos queda una ecuación cubica, que sabemos resolver (ver al final todo el proceso).

Al igual que cuando la ecuación cubica obteníamos una cuadrada... hasta ahora todo igual cambiando un orden la ecuación.

Ya sólo nos queda: obtener las 6 soluciones deshaciendo A por alfa, calcular beta y gamma (expresiones (5) y (6). A partir de ellas calculamos p, q y r. A partir de ellas Z. Y para terminar deshacemos el cambio y obtendriamos X (para las 4 soluciones). Parecen muñecas rusas, una dentro de otra, ¿verdad?.

Al final obtenemos cuatro soluciones que constan de raíces cuadradas y cubicas incluyendo p, q y r.... ocupan muchisimo, pero os pongo una de ellas:

Son muy aparatosos los cálculos pero al fin y al cabo, se trata sólo de una expresión algebraica...

En este punto seguro que nos estamos preguntando cómo será la solución general de la ecuación quinta o de quinto grado.... todo el mundo pensará, como se pensaba entonces, que requerirá ingenio e idea feliz... muchísima paciencia y que habría que hacer cambios de variable, resolver una ecuación cuarta, luego una cubica, luego muchos cálculos con raíces quintas, cuartas, cubicas y cuadradas y ya estaría: 

¡nos equivocaríamos como lo hicieron entonces! la solución no aparecía y por más que se intentaba: nada!. En matemáticas no basta con estar muy seguro de algo hay que demostrarlo... veremos una de las historias más "novelesca" de todas las matemáticas con "Galois" de protagonista.

Un saludo Elementales



Francisco José Menchen

PD para todos los que me lo han pedido ahí va cómo resolver el sistema de ecuaciones para obtener la ecuación de sexto grado: