Dibujo20140821 Experimental set-up - magneto-optical trapping diatomic molecule - nature13634-f1

Las trampas magnetoópticas (MOTs) para ultraenfriar y confinar átomos son bien conocidas desde la década de los 1980. Se publica en Nature la primera trampa magnetoóptica para moléculas (por ahora, diatómicas). Las moléculas son más complicadas que los átomos (poseen gran número de grados de libertad, estados electrónicos, vibracionales y rotacionales). Las nuevas MOTs confinan unas 300 moléculas de monofluoruro de estroncio (SrF) a una temperatura de unos 2,5 milikelvin (un MOT para átomos típico atrapa hasta mil millones de átomos y los enfría a decenas de microkelvin).

Muchas de las aplicaciones de las MOTs para átomos se podrán extender a moléculas; además, como las moléculas tienen propiedades ausentes en los átomos (como fuertes momentos dipolares eléctricos) se pueden imaginar nuevas aplicaciones en metrología cuántica, ordenadores cuánticos y sistemas de procesado cuántico de información. Nos lo cuenta Francesca Ferlaino, “Molecular physics: Complexity trapped by simplicity,” Nature 512: 261-262, 21 Aug 2014, siendo el artículo técnico J. F. Barry et al., “Magneto-optical trapping of a diatomic molecule,” Nature 512: 286-289, 21 Aug 2014 (arXiv:1404.5680 [physics.atom-ph]).

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Dibujo20140819 cms event - missing energy - PR040413 lhc - discover magazine

Sabemos que la materia oscura existe y cómo influye en el universo, pero no sabemos lo que es. Los físicos de partículas apuestan por una nueva partícula y la buscan en las colisiones del LHC en el CERN. Como en el caso de los neutrinos, se observará como energía perdida (o faltante) en ciertas colisiones. La señal es muy clara y fácil de identificar.

Tanto ATLAS como CMS han buscado estas partículas sin éxito. Los límites de exclusión que han obtenido hasta ahora son comparables (aunque algo peores) con los obtenidos por los experimentos de búsqueda directa. De hecho, mejorarán bastante con las colisiones a 13 TeV c.m. del año 2015.

La situación actual nos la cuentan en CMS Collaboration, “Search for dark matter, extra dimensions, and unparticles in monojet events in proton-proton collisions at sqrt(s) = 8 TeV,” arXiv:1408.3583 [hep-ex], y en ATLAS Collaboration, “Search for new particles in events with one lepton and missing transverse momentum in pp collisions at s√ = 8 TeV with the ATLAS detector,” arXiv:1407.7494 [hep-ex]. Un resumen del primer artículo en Tommaso Dorigo, “Tight Constraints On Dark Matter From CMS,” A Quantum Diaries Survivor, 18 Aug 2014.

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Dibujo20140818 messier 82 galaxy - composed image - spacetelescope org

La fuente de rayos X más brillante de la galaxia M82, llamada M82 X-1, es un agujero negro de masa intermedia, unas 400 M☉ (masas solares). Había modelos teóricos que afirmaban que su masa era de unas 20 M☉ y otros que estaba entre 100 y 10.000 M☉. Se publican en Nature las estimaciones más fiables de su masa, por un lado 428 ± 105 M☉, y por otro 415 ± 63 M☉ (la diferencia depende del método usado para determinar su masa).

El artículo técnico es Dheeraj R. Pasham et al., “A 400-solar-mass black hole in the galaxy M82,” Nature, AOP 17 Aug 2014.

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Dibujo20140816 Ballistic motion of dust particles in the Lunar Roving Vehicle dust trails - AJP AAPT

En 2012 se publicó un curioso análisis de los vídeos de la misión Apolo 16 que muestran el movimiento de las nubes de polvo (regolito) levantadas por el rover lunar. Su trayectoria parabólica permite determinar la aceleración de la gravedad a la que está sometido el polvo. Corresponde a la gravedad lunar (con un margen de error del 10%). Una bonita prueba de que el hombre pisó la Luna.

Hsiang-Wen Hsu y Mihály Horanyi, ambos de la Universidad de Colorado, han analizado dos vídeos. En el primero obtienen un valor para la aceleración vertical del polvo de 1,48 ± 0,29 m/s² (que difiere a más de 28 sigmas (desviaciones típicas) de la aceleración de la gravedad en la Tierra). En el segundo obtienen 1,47 ± 0,27 m/s² (que difiere a más de 30 sigmas de la terrestre). Una nueva prueba de que fueron rodadas en la Luna.

Cualquier profesor de física interesado en repetir junto con sus alumnos el análisis desarrollado disfrutará del artículo técnico de Hsiang-Wen Hsu, Mihály Horányi, “Ballistic motion of dust particles in the Lunar Roving Vehicle dust trails,” American Journal of Physics 80: 452-456, 2012. El análisis es fácil de repetir, como nos mostró Rhett Allain, “The Acceleration of Moon Dust,” Wired.com, 03 Jul 2013. Me lo ha recordado en Twitter Martín Monteiro (@fisicamartin) tras leer “There’s A New Proof That The Apollo Moon Landings Actually Happened,” The Huffington Post UK, 10 Aug 2014.

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DIbujo20140703 ichep 2014 - webcasting logo

Uno de los lectores me ha pedido que dedique una entrada a los resultados más recientes sobre el bosón de Higgs. No hay grandes novedades respecto a marzo de 2014, pero hay muchísimas respecto a julio de 2012. Por concretar, me centraré en los resultados más interesantes mostrados en el congreso ICHEP2014, Valencia (España), 2-9 julio 2014 [Programa].

La teoría sobre el Higgs es mucho más precisa que el experimento, por lo que los mayores errores tienen un origen estadístico (número de colisiones analizadas). Serán necesarias nuevas colisiones en el LHC en 2015 para refinar sus propiedades y ratificar poco a poco que coinciden con las predichas por la teoría.

Los nuevos resultados se basan en nuevos análisis de las colisiones en el LHC del CERN de 2011 (protón contra protón (pp) a 7 TeV c.m.) y de 2012 (pp a 8 TeV c.m.). Aún así, son resultados que han sido seguidos por muchos con gran interés durante la conferencia. En mi opinión, lo más interesante es ver cómo se mejoran las técnicas de análisis para cuando haya nuevas colisiones.

Me basaré en los artículos ATLAS Collaboration, “Measurement of the Higgs boson mass from the H→γγ and H→ZZ*→4ℓ channels with the ATLAS detector using 25 fb−1 of pp collision data,” arXiv:1406.3827 [hep-ex], y CMS Collaboration, “Precise determination of the mass of the Higgs boson and studies of the compatibility of its couplings with the standard model This is a condensed description with plots for the analysis,” CMS-PAS-HIG-14-009, Jul 2014.

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Dibujo20140813 Maryam Mirzakhani - stanford university - nature com

Por un fallo técnico en su página web, la Unión Matemática Internacional (IMU) ha desvelado hoy de forma anticipada los ganadores de las Medallas Fields de 2014. La sorpresa para muchos es que ha sido galardonada, por primera vez en la historia, una mujer: Maryam Mirzakhani, nacida en Irán, profesora de la Universidad de Stanford, California. Recordarás que yo lo predije en “¿Ganará una mujer una Medalla Fields en el ICM 2014 en Seúl?,” LCMF, 18 Jul 2014.

Junto a Maryam también han sido galardonados Artur Ávila, brasileño-francés que trabaja en el Instituto de Matemáticas de Jussieu, París, Manjul Bhargava, canadiense-americano que trabaja en la Universidad de Princeton, Nueva Jersey, y Martin Hairer, austríaco afiliado a la Universidad de Warwick, Reino Unido. Los tres aparecen entre los cinco candidatos que destaqué en mi entrada (LCMF, 18 Jul 2014).

El Premio Nevanlinna ha sido otorgado a Subhash Khot, Universidad de Nueva York y el Premio Gauss a Stanley Osher, Universidad de California en Los Angeles.

Más información en Philip Ball, “Iranian is first woman to nab highest prize in maths,” Nature News, 12 Aug 2014; Erica Klarreich, “Maryam Mirzakhani: A Tenacious Explorer of Abstract Surfaces,” Quanta Magazine, 12 Aug 2014; Thomas Lin, Erica Klarreich, “Artur Avila: A Brazilian Wunderkind Who Calms Chaos,” QM, 12 Aug 2014; Erica Klarreich, “Manjul Bhargava: The Musical, Magical Number Theorist,” QM, 12 Aug 2014; Natalie Wolchover, “Martin Hairer: In Noisy Equations, One Who Heard Music,” QM, 12 Aug 2014; Thomas Lin, Erica Klarreich, “Subhash Khot: A Grand Vision for the Impossible,” QM, 12 Aug 2014.

Recomiendo leer a Terence Tao, “Avila, Bhargava, Hairer, Mirzakhani,” What’s New, 12 Aug 2014, y “Khot, Osher, Griffiths,” What’s New, 12 Aug 2014. Tim Gowers, “ICM2014 — Bhargava laudatio,” GWblog, 15 Aug 2014; “ICM2014 — Avila laudatio,” GWblog, 15 Aug 2014. “ICM2014 — Hairer laudatio,” CWblog, 18 Aug 2014.

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Dibujo20140812 Folded count rate for MOS1 -red- and MOS2 -blue- and residuals -bottom- XMM Newton - arxiv

Los mismos datos experimentales interpretados por dos grupos de científicos diferentes pueden conducir a resultados contradictorios. Todo depende del modelo teórico usado y, por qué no, de sus propios prejuicios. El telescopio espacial de rayos X de la ESA llamado XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission – Newton) ha observado el centro galáctico de la Vía Láctea con sus dos cámaras CCD llamadas EPIC MOS 1 y 2 (por The European Photon Imaging Camera - Metal Oxide Semi-conductor - Charge-Coupled Device).

A. Boyarsky (Univ. Leiden, Países Bajos) y sus colegas observan en la señal MOS un pico a 3,539 ± 0,011 keV con una confianza estadística de 5,7 sigmas. Todo un descubrimiento. Su prejuicio es que XMM-Newton observó una línea de emisión a 3,56 ± 0,03 keV con 3 sigmas de confianza estadística en 73 cúmulos galácticos con desplazamiento al rojo entre z=0,01 y z=0,35. También la observó en el cúmulo de Perseo y en la galaxia Andrómeda M31. Muchos ven en la línea a 3,5 keV una señal clara de la aniquilación de partículas de materia oscura.

Dibujo20140812 normalized count rate for MOS XMM-Newton and residuals - arxiv

Tesla Jeltema y Stafano Profumo, ambos en la Universidad de California, Santa Cruz, EEUU, analizan los mismos datos de XMM-Newton observados con el MOS pero con un modelo teórico diferente, que incluye, entre otras, la dos líneas de emisión del potasio cerca de 3,5 keV (líneas K XVIII) y el par del cloro cerca de 3,51 keV (líneas Cl XVII). No observan ningún pico alrededor de 3,5 keV. El título (“dark matter searches going bananas“) usa una expresión de argot en inglés (slang) “going bananas” que significa algo así como “volverse loco” (me he enterado gracias a un tuit de @T_Memeli “going bananas -> go mildly crazy”; yo había asociado por error el potasio con los plátanos).

Todo apunta a que la señal a 3,5 keV es un artificio en el análisis de los datos de XMM-Newton, pero habrá que esperar a que se alcance un consenso al respecto entre los astrofísicos. Los artículos técnicos son Alexey Boyarsky et al., “Checking the dark matter origin of 3.53~keV line with the Milky Way center,” arXiv:1408.2503 [astro-ph.CO], y Tesla E. Jeltema, Stefano Profumo, “Dark matter searches going bananas: the contribution of Potassium (and Chlorine) to the 3.5 keV line,” arXiv:1408.1699 [astro-ph.HE].

[PS 13 Ago 2014]: Recomiendo leer a Jester, “X-ray bananas,” Résonaances, 12 Aug 2014, y los primeros comentarios de sus lectores.

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En 2010, la medida más precisa del radio de un protón en un hidrógeno muónico arrojó un valor un 5% más pequeño del obtenido con hidrógeno electrónico (resultado confirmado de forma independiente en 2013). Álvaro de Rújula propuso que la solución requería analizar las contribuciones QED a los parámetros del protón en un hidrógeno muónico.

Aiichi Iwazaki (Univ. Nishogakusha, Chiyoda, Tokyo, Japón) propone que el campo magnético del muón cambia el estado interno del protón. Esta cambio afecta a su masa (que depende de la rotura espontánea de la simetría quiral en QCD que da lugar al momento magnético intrínseco del protón y que por tanto se ve afectada por los campos magnéticos externos). El cambio de masa afecta al estado 2S del hidrógeno muónico y explica el cambio observado en el radio del protón.

El cálculo de Iwazaki es aproximado y tiene que ser confirmado por estudios independientes más rigurosos. Sin embargo, su solución es elegante y sigue al pie de la letra la propuesta de De Rújula. El artículo técnico es Aiichi Iwazaki, “Proton Mass Shift in Muonic Hydrogen Atom,” arXiv:1408.2413 [hep-ph].

Dibujo20140811 higgs br and decays - lhc higgs cross-sections group

Una manera de postdecir la masa del bosón de Higgs (125,2 ± 0,5 GeV/c²) es maximizar la tasa de desintegración de esta partícula en fotones según el modelo estándar (125,4 ± 0,4 GeV/c² calculado con HDECAY). ¿Hay algún principio físico oculto en este hecho o se trata de pura casualidad? Seguro que es pura numerología, pues no hay acoplo directo entre el Higgs y los fotones (pues no tienen masa). Más aún, la figura del LHC Higgs CSWG muestra que el “pico” es bastante ancho, como cabe esperar por el acoplo indirecto del Higgs con los fotones vía quarks top o bosones W. El modelo estándar da bastante juego para este tipo de postdicciones a dos sigmas.

¿Pero y si hubiera un principio físico oculto? Exploran las consecuencias los brasileños Alexandre Alves, E. Ramirez Barreto, A. G. Dias, “Is There a Hidden Principle in the Higgs Boson Decay to Photons?,” arXiv:1312.5333 [hep-ph]. La figura de las desintegraciones del Higgs está extraída de The LHC Higgs Cross Section Working Group, “Handbook of LHC Higgs Cross Sections: 3. Higgs Properties,” arXiv:1307.1347 [hep-ph].

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Dibujo20140805 Photographs vertical and tilted flute pouring - champagne - j phys chem b

Dos lectores ofrecieron respuestas al problema de Fermi que propuse en “Atención, pregunta: ¿Cuántas burbujas hay en una copa de cava?,” LCMF, 5 Ago 2014. En una copa de cava se producen alrededor de un millón de burbujas (si uno resiste la tentación de beberse el líquido). Lo importante en estos problemas back-of-the-envelope es el orden de magnitud. Un factor de dos arriba o abajo no es relevante.

Para resolver estos problemas el propio Fermi nos proponía la técnica divide y vencerás gracias a la estadística. Se trocea el problema en muchos subproblemas, cada uno se resuelve de forma aproximada y se combinan los resultados. En algunos subproblemas subestimaremos la respuesta, en otros la sobreestimaremos, pero en promedio obtendremos un orden de magnitud razonable. Por supuesto, el arte de resolver problemas de Fermi, como el arte del modelado de sistemas, es sólo eso, un arte.

Os recomiendo leer “The Back of the Envelope,” columna 7 (pp. 69-80) del libro de mi admirado Jon Bentley, “Programming Pearls,” Addison-Wesley, 1986. ¿Un libro de informática para aprender a resolver problemas de Fermi? El arte de la programación es el arte de resolver problemas.

En este blog (casi) todas las entradas se basan en uno o varios artículos. Por supuesto, esta entrada no puede ser de otra forma. Una solución rigurosa al problema de Fermi que os he planteado nos la ofrece Gerard Liger-Belair, “How Many Bubbles in Your Glass of Bubbly?,” J. Phys. Chem. B 118: 3156-3163, 2014. Artículo del que he extraído la fotografía que abre esta entrada.

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