Noticias breves de física cuántica que te pueden interesar

Dibujo20140306 cosmic bell experiment - schematics - prl aps

El experimento cósmico de Bell. El debate entre Einstein y Bohr sobre la posibilidad de que una teoría de variables ocultas pudiera explicar el entrelazamiento cuántico fue resuelto por el teorema de John Bell. La mecánica cuántica viola unas desigualdades que ninguna teoría de variables ocultas puede violar. Sin embargo, su argumento presenta algunas lagunas (loopholes). La más importante es la de “libre albedrío” (free will loophole). En el pasado los dos sistemas entrelazados podrían compartir una historia (oculta) común. ¿Cómo se puede evitar esta laguna?

Lo más obvio es usar dos objetos que desde el inicio del Big Bang hayan estado siempre separados entre sí, como dos cuásares colocados en lugares opuestos del cielo. El fisico teórico David Kaiser (MIT) y dos colegas proponen realizar un experimento de tipo Bell en las Islas Canarias utilizando dos fotones entrelazados separados 144 km (distancia entre La Palma y Tenerife) y fotones producidos en dos cuásares muy alejados entre sí y observados por dos telescopios. La ejecución práctica de este experimento teórico no es fácil, pero podría eliminar la laguna del libre albedrío en el teorema de Bell. Por supuesto, no descarta otras lagunas de la física cuántica que el teorema de Bell no es capaz de decidir (como la existencia de variables ocultas superdeterministas).

El artículo técnico es Jason Gallicchio, Andrew S. Friedman, David I. Kaiser, “Testing Bell’s Inequality with Cosmic Photons: Closing the Setting-Independence Loophole,” Physical Review Letters, Aceptado Mar 2014; arXiv:1310.3288 [quant-ph]. Recomiendo leer también a Charles Q. Choi, “Quasar Experiment May Shed Light on Quantum Physics and Free Will,” NBCNews, 6 Mar 2014; y a Zeeya Merali, “Cosmic light could close quantum-weirdness loophole. Distant quasars would decide whether quantum entanglement is an illusion,” Nature News, 25 Feb 2014.

Dibujo20140306 upper limit - quantum black holes decaying to lepton and jets - atlas - lhc - cern

ATLAS no observa microagujeros negros en el LHC. ¿Puede producir agujeros negros el LHC? Ninguna ley física lo prohíbe, si existen dimensiones extras en el espaciotiempo de tamaño micrométrico (como predicen algunos teóricos). Estos microagujeros negros (con masa en la escala de energía TeV) se desintegran al instante en una señal, que por fortuna, es muy fácil de observar en los análisis de datos de los detectores ATLAS y CMS del LHC. Por ello, ambas colaboraciones están buscando agujeros negros cuánticos (QBH por quantum black hole). Por ahora el resultado es infructuoso. No se han observado, pero se seguirán buscando.

ATLAS publica en Physical Review Letters que el análisis de las 20,3 /fb de colisiones protón contra protón a 8 TeV c.m. obtenidas en el año 2012 descarta la existencia de QBH con masa inferior a unos 5,3 TeV al 95% CL. Las futuras colisiones a 13 TeV c.m. en el año 2015 permitirán subir este límite inferior. Nos lo cuenta Matteo Rini, “Synopsis: No Quantum Black Holes Detected at LHC,” Physics, 5 Mar 2014. El artículo técnico ATLAS Collab., “Search for Quantum Black Hole Production in High-Invariant-Mass Lepton+Jet Final States Using pp Collisions at s=8  TeV and the ATLAS Detector,” Phys. Rev. Lett. 112: 091804, 5 Mar 2014; arXiv:1311.2006 [hep-ex].

Dibujo20140306 dark matter searches - nature

La búsqueda de la materia oscura. Hemos observado la materia oscura gracias a la gravedad y sabemos que el 85% de la materia del universo es materia oscura. Sin embargo, aún no tenemos una descripción cuántica de la materia oscura (es decir, no sabemos qué es). Hay muchos experimentos en curso y hay muchos planificados para esta década. Todo apunta a que alrededor del año 2020 deberíamos saber si la materia oscura es resultado de una partícula o de otra cosa (**). Nos lo cuentan Mario Livio y Joe Silk, “Physics: Broaden the search for dark matter,” Nature 507: 29-31, 06 Mar 2014.

En 2013, el experimento de búsqueda directa de la materia oscura más sensible hasta el momento, LUX (Large Underground Xenon), situado en la Mina Homestake, en Lead, Dakota del Sur, no observó ninguna señal (en sus primeros tres meses). LUX utiliza 370 kg de xenón líquido (su versión ampliada LUX ZEPLIN planificada para 2019 usará 7 toneladas). También en 2013, el equipo DAMA/LIBRA verificó a 9 sigmas la existencia de una oscilación cuyo origen es desconocido pero apunta a la materia oscura. Experimentos como CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology), en Soudan, Minnesota, que deberían haber detectado la señal observada por DAMA/LIBRA no lo han hecho. El experimento AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) situado en la Estación Espacial Internacional (ISS) ha confirmado un exceso en el flujo de positrones en los rayos cósmicos con energías de hasta 350 GeV, que fue descubierto por el satélite PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics). El origen de la señal podría ser la aniquilación de la materia oscura, pero no se puede descartar un origen astrofísico.

El telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA también ha observado un exceso de rayos gamma en el centro galáctico (donde se cree que se concentra la materia oscura galáctica). El exceso asociado a una energía de 130 GeV podría tener un origen astrofísico (o incluso un origen instrumental). En los próximos años, el telescopio de rayos gamma HESS (High Energy Stereoscopic System), en Namibia, estudiará en detalle el centro galáctico en el rango de energías de 100 GeV a 1 TeV. HESS confirmará o refutará la señal de Fermi. Finalmente, los experimentos ATLAS y CMS del LHC (Large Hadron Collider), en el CERN, cerca de Ginebra, Suiza, tampoco ha observado ninguna señal de la materia oscura. En 2015 el LHC usará colisiones a 14 TeV (en lugar de 8 TeV) lo que incrementará mucho las probabilidades de que se detecte alguna señal de las partículas responsables de la materia oscura.

Dibujo20140406 WIMP direct detection

(**) Lo confieso, a veces peco de optimista, otras veces de pesimista. En esta entrada he pecado de optimista (como Antonio indica en los comentarios). Alrededor del año 2020 (es decir, 2020-2025) habremos explorado todo el espacio de parámetros para posibles masas para una partícula WIMP que se puede explorar con búsquedas directas. Si para entonces no se ha encontrado una partícula WIMP responsable de la materia oscura, será muy difícil (casi imposible) poder detectar dichas partículas. Por tanto, habrá que descartar la idea de que la materia oscura esté hecha de partículas que podamos detectar de forma directa. Habrá que buscar otras explicaciones a la materia oscura. En mi opinión, la segunda década del siglo XXI es la década de la materia oscura. Si en la tercera década del siglo XXI aún no sabemos qué es la materia oscura habrá que buscar una explicación más exótica que las actuales.


7 Comentarios

Participa Suscríbete

Ignacio Agulló

Un apunte para el debate: “el 85% de la materia del universo es materia oscura”. Bueno, hay quien dice que es el 96%; pero ésto no importa. Lo que importa es que el nombre “materia oscura” ha devenido obsoleto porque hace tiempo que se está estimando que tres cuartas partes de esa masa son energía oscura y sólo una cuarta parte es verdaderamente materia oscura. De modo que es inadecuado usar el término “materia oscura” para referirse a algo cuyas tres cuartas partes son energía. Por tanto, hay que dejar de utilizar el término “materia oscura” para empezar a usar “masa oscura”… o si quieren, volver al pasado siglo XX y usar el término original, “masa perdida”, que se abandonó porque hacía pensar que los astronomos eran despistados y habían extraviado algo.

amarashiki

Ignacio, noto cierta hostilidad. WMAP y PLANCK han medido, grosso modo que la composición del Universo es:
5% materia y radiación ordinarias (con la radiación siendo una componente desdeñable frente el porcentaje de materia).
25% materia oscura.
70% energía oscura.

Si distinguimos “materia de energía/radiación”, lo que es materia es(contando materia oscura) un 30%. ¿Qué fracción de ese total de materia es materia normal?Sencillo 5% del 30%, que en porcentaje es un 15% (más bien un 100/6=16.7%)…El resto, 25% del 30% de materia es materia oscura, es decir 25/30=5/6=83.3%).

Es ridículo entrar y ponerse a discutir cosas de forma poco constructiva o argumentada… No es bueno ni para este foro ni para ningún otro.

amarashiki

Ignacio, si no tienes una formación de física, intenta no entrar a dar lecciones, o mírate más cuidadosamente las charlas o artículos online. Materia es algo que “tiene masa y ocupa un volumen”, a diferencia de energía o radiación (piensa en las ondas electromagnéticas, por poner el ejemplo usual de energía). Realmente es un punto sutil, dado que energía y materia están relacionadas en teorías relativistas:

$$E=pc$$ para partículas sin masa como el fotón, el gluón, el hipotético gravitón y (muy aproximadamente) para partículas con poco masa como el neutrino. De hecho es un hot topic en cosmología y astrofísica el asunto denominado “dark radiation”, o componente de materia/radiación que bien en forma de neutrinos estériles o bien en forma de contribución adicional, entraría en el número de especies efectivas de neutrinos por esa ecuación de dispersión (esencialmente, una partícula sin masa, podría dar una contribución de la densidad de energía del neutrino y pasar desapercibida salvo en medidas cosmológicas, aunque de momento, el ajuste de neutrinos “funciona”).

$$E^2=(pc)^2+(mc^2)^2$$ para partículas con masa, como el electrón, el protón, … Para una partícula que se mueva muy lentamente pero que fuera MUY masiva, como se cree que ocurre con la materia oscura en ciertos modelos, tendríamos $$pc<<mc^2$, con lo que la contribución a la densidad de energía del universo es principalmente "masa".

Lo que se hace en Cosmología es media la densidad total de energía/masa del universo, que se suele escribir de la siguiente forma:

$$\Omega_{total}=\Omega_k+\Omega_m+\Omega_\Lambda+\Omega_rad=1$$

en donde los términos del segundo miembro son la densidad de energía de la curvatura espacial del Universo, la densidad de energía de la materia, la densidad de energía del vacío y la densidad de energía de la radiación (aunque ésta se incluye muchas veces dentro de la densidad de materia). Hablar de materia y energía en teorías relativistas requiere especial cuidado, dado que son conceptos intercambiables por la ecuación de Einstein (o ecuación del siglo XX).

Insisto, si no eres físico, me andaría con algo más de prudencia al expresar tus opiniones, o al menos, intentar comprender lo que significan un poco mejor, antes de entrar con un lenguaje ciertamente desafortunado. Masa es materia (energía concentrada como la que te forma a ti o a mi) confinada en un volumen o más generalmente una característica de las partículas (uno de sus autovalores o Casimir si usamos la teoría de la representación de Wigner, junto a otros la helicidad o espín), energía es esencialmente entendida como forma de partículas "deconfinada", o más generalmente, un físico piensa en energía como los estados de vibración de un sistema, que puede o no depender de la masa. Para un fotón, que no tiene masa porque no puede estar nunca en reposo, la energía es esencialmente la relación de Planck E=hf, donde f es la frecuencia de la radiación electromagnética del fotón.

En la teoría de Wigner, las partículas se clasifican según su relación de dispersión energía-momento, y según su helicidad (para partículas sin masa) o espín (para partículas con masa).

amarashiki

Bueno, en el blog de Jester (Resonaances) también se da una visión agridulce de este escenario “casi de pesadilla” hecha realidad en el que se encuentra (por el momento) la Física:

1. Algo hay que no explica la Dinámica galáctica y el “quesito” de materia oscura que medimos en Cosmología. Suponemos que es masa invisible electromagnéticamente (materia oscura) pero tal vez sería bueno ir pensando en más alternativas (no sólo MOND/MOG). ¿Se nos ha escapado algo).

2. La no detección (aunque hay ruido de nuevo con la ahora señal de 7 kev e indicios en torno a 30-40 GeV, cerca de la “predicción” de Terazawa en torno a los 45 GeV, de una partícula de DM) verificada indica que la materia oscura (si existe) es muy sutil. Wilczek sigue pensando en los axiones, pero mientras no se detecten…Ajo y agua.

3. No sé si lo has comentado, pero en el plot que muestras el “muro” o cota inferior impuesto por los neutrinos ES muy relevante en los experimentos de detección de materia oscura para los próximos años (me emociona pensar que hablé y mencioné brevemente este punto en mi charla de la tesina 3 años atrás, aunque tuve que aguantar en la postcharla que un doctorando dijera que el neutrino era indetectable cuando yo dije que el “scattering coherente neutro” de neutrinos con los núcleos es MUY importante porque es “background irreductible en los experimentos de detección directa de materia oscura”…Lamentablemente no me preguntaron mucho más el tribunal (aunque tenía más cosas preparadas)…Quizás en ese caso el doctorando no habría dicho nada luego…

El scattering (elástico) coherente de neutrino-núcleo por mediación de un Z es “indistinguible” de una partícula de materia oscura en un detector a no ser…Que podamos detectar la dirección en la que se produce el scattering (y actualmente no hay tecnología en los detectores de materia oscura para ello). Esencialmente, mientras eso no sea posible, todos los detectores de materia oscura se convertirán “en detectores de neutrinos” (observatorios de neutrinos) muy pronto, a no ser que se desarrollen técnicas para medir la direccionalidad del scattering elástico. La de los neutrinos provinientes del sol es fácil ver que tiene una dependencia con el coseno, y en el caso del scattering coherente neutrino-núcleo, hay también una dependencia en función de la constante de Fermi al cuadrado que hace dicho proceso “duro” de observar, pero no imposible. Los chinos y algunos detectores de materia oscura en otros puntos del globo están adaptando la tecnología para intentar detectar ese scattering predicho por el modelo estándar y aún no detectado… Es posible que en los próximos años, se detecte, si no antes…

Sea el neutrino estéril, sea este scattering neutro coherente de neutrino núcleo, sea el descubrimiento de algo más…Los neutrinos seguirán por mucho tiempo con nosotros. Yo sueño con “neutrinografías” en la medicina del futuro…

planck

El tema de la materia oscura ya va camino de convertirse en la búsqueda más ardua de la historia de la ciencia. Lo peor es que es casi imposible descartar que ésta no este compuesta por WIMPS ya que hay modelos teóricos que predicen Wimps con sección eficaz indetectable. Sin embargo, como explica Francis si en 2020 no se ha detectado aún entonces tendremos que asumir que la DM es algo más “exótico”. La gravedad, como propiedad del propio espacio-tiempo está todavía lejos de ser entendida, no sabemos de que está compuesto el espacio-tiempo y hasta que no tengamos una verdadera teoría cuántica de la gravedad ésta continuará siendo un misterio. No sabemos la naturaleza de todos los campos cuánticos que “residen” en el espacio tiempo, no sabemos si sus propiedades emergen de dichos campos o si éste tiene propiedades “intrínsecas” y fundamentales, no sabemos cuantas dimensiones tiene. Nuestra mejor teoría sobre gravedad cuántica apunta a “algo” que vibra a través de 11 dimensiones enrrolladas de forma compleja, una imagen fuera del poder de visualización de la mente humana y solo “visualizable” a través del “poder” de las matemáticas.
Yo sigo creyendo en SUSY (quizás leo demasiado a Lubos), la DM bien podría ser la supercompañera más ligera, el problema es la energía a la que se encuentra. La Física es como un enorme puzzle, tenemos puestas ya bastantes piezas pero aún no vemos el “dibujo” fundamental, quizás encajando las piezas importantes consigamos “intuir” el esquema global.
Seamos optimistas: el año que viene el LHC descubrirá la supercompañera más ligera, esto permitirá “inferir” el resto de masas SUSY y elegir la correcta teoría supersimétrica que describe nuestro Universo, esto permitirá reducir la cantidad de posibles vacios del “string-landscape” y nos permitirá seleccionar la correcta teoría que describe nuestro Universo, esto permitirá hacer predicciones sobre nuevos fenómenos físicos que serán felizmente verificados lo que nos dará la correcta teoría cuántica de la gravedad, nos dirá que pasa realmente en la singularidad de los agujeros negros, como se creo nuestro Universo, nos dirá si existen los agujeros de gusano, las dimensiones extra, los viajes en el Tiempo, los alienígenas, el multiverso, y sabremos por fin si España volverá a crear empleo o porque para triunfar en el mundo solo hay que saber “diseñar” ropa interior o “calzarse” a un torero 😀
Por cierto, esperemos que nuestros dirigentes, los cuales no son conscientes de que sus cerebros están repletos de “sesgos cognitivos” dejen que la ciencia siga agrandando los límites del conocimiento humano en pro de la humanidad y no nos metan en la 3ª guerra mundial o en otra guerra fría.

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>