Núcleos con forma de pera y viajes en el tiempo imposibles

Dibujo20160628 Nuclei can take several shapes sphere oblate spheroid prolate spheroid exotic pear shape  nature497190a-f1

La forma del núcleo de un átomo viene dada por la simetría de su estado fundamental. Puede ser esférica (monopolar), esferoidal (dipolar), elipsoidal (cuadrupolar), e, incluso, ovoidal (octopolar). Este último caso (predicho en 1982 y observado en 2013) se da en núcleos con un número par de protones y de neutrones, como el radio-224 (88+136) y el radon-220 (86+134). Se publica en Physical Review Letters su observación (indirecta) en el bario-144 (56+88), el primer núcleo con número másico A<200 en el que se observa.

¿Tiene esto algo que ver con los viajes en el tiempo? Los núcleos octopolares existen porque los nucleones (protones y neutrones) tienen momento dipolar eléctrico. Su origen es la violación de la simetría de inversión temporal (T) por la interacción electrodébil (algo descubierto en 1964). Un viaje en el tiempo (curva espaciotemporal cerrada) que garantice que nada cambie en el universo requiere que la simetría T se conserve. Pero no lo hace. Cualquier violación de esta simetría implica que los viajes en el tiempo siempre cambian algo. Para muchos esto implica que los viajes en el tiempo no pueden existir.

El nuevo artículo es B. Bucher et al., “Direct Evidence of Octupole Deformation in Neutron-Rich Ba-144,” Phys. Rev. Lett. 116: 112503 (17 Mar 2016), doi: 10.1103/PhysRevLett.116.112503arXiv:1602.01485 [nucl-ex], más información en Jessica Thomas, “Synopsis: Nucleus is Surprisingly Pear Shaped,” Physics, 17 Mar 2016.

La primera observación experimental del fenómeno es de L. P. Gaffney et al. (ISOLDE), “Studies of pear-shaped nuclei using accelerated radioactive beams,” Nature 497: 199–204 (09 May 2013), doi: 10.1038/nature12073, más información en C. J. (Kim) Lister, Jonathan Butterworth, “Nuclear physics: Exotic pear-shaped nuclei,” Nature 497: 190–191 (09 May 2013), doi: 10.1038/497190a. La predicción teórica es de G.A. Leander, R.K. Sheline, …, A.J. Sierk, “The breaking of intrinsic reflection symmetry in nuclear ground states,” Nuclear Physics A 388: 452-476 (1982), doi: 10.1016/0375-9474(82)90471-7.

Más información general en P A Butler, “Octupole collectivity in nuclei,” Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 43: 073002 (01 Jun 2016), doi: 10.1088/0954-3899/43/7/073002, y en Rémi N. Bernard, Luis M. Robledo, Tomás R. Rodríguez, “Octupole correlations in the nucleus 144Ba described with symmetry conserving configuration mixing calculations,” arXiv:1604.06706 [nucl-th].

Dibujo20160628 hfb potential energy surface computed for 144-ba

Los viajes en el tiempo (hacia el pasado con retorno al presente) son imposibles. Por supuesto, en la ciencia ficción se afirma que ninguna ley física prohíbe su existencia. Lo que sería cierto si todas las leyes físicas son invariantes al cambiar la flecha del tiempo. Pero esto es falso, rotundamente falso. La interacción electrodébil viola la simetría de inversión temporal (T). Por tanto, el modelo estándar de las partículas también lo hace y por ende toda la física conocida.

Recuerda que toda la física conocida (olvidemos la especulativa) muestra una simetría CPT exacta. Todo proceso físico posible es idéntico e igualmente posible si se cambian las partículas por sus antipartículas (conjugación de carga, C), y al mismo tiempo se refleja todo el universo en un espejo (simetría de paridad, P), y al mismo tiempo se invierte la dirección de la flecha del tiempo (inversión temporal, T). La combinación de las tres simetrías discretas C, P y T se preserva en todos los procesos físicos. Sin embargo, en 1957 se observó la violación de la simetría P usando átomos de cobalto-60 (luego también de CT). Y en 1964, como ya he indicado, se observó la violación de la simetría CP usando una partículas llamadas kaones neutros  (luego también T).

Dibujo20160628 220Rn and 224Ra octupole coupling nuclides

Los núcleos pesados cuyo estado fundamental es octopolar son muy interesantes porque permiten estudiar el momento dipolar eléctrico (EDM) de los nucleones (protones y neutrones). Algo muy difícil con nucleones o con núcleos ligeros. El origen del EDM es que la interacción electrodébil viola la simetría discreta CP, que implica la violación de la simetría T. Estas violaciones están en el origen de la asimetría materia-antimateria primordial.

Dibujo20160628 particle number parity angular momentum pes for 144-ba

Bajo un campo eléctrico externo, la energía de un estado se desplaza cierta cantidad Δe = d·E + E·δ·E, donde d es el EDM y δ es el momento dipolar inducido. En moléculas de geometría asimétrica (como la molécula de agua) el fenómeno es fácil de entender, incluso si la simetría T se conserva. Pero en un sistema con simetría esférica (como un protón o un neutrón), el valor medio del EDM debe ser nulo si el sistema es invariante ante las simetrías P y T. Por contra, la observación de un EDM no nulo implica que alguna de estas simetrías es violada.

Dibujo20160628 chart of nuclides for which the proton and neutron numbers having the strongest octupole coupling

Medir el EDM de una partícula es muy difícil porque es muy pequeño comparado con el momento dipolar magnético (MDM) debido al espín. La inversión el tiempo (T) provoca que el MDM cambie de dirección, pero no afecta al EDM. Por eso se pueden usar núcleos pesados para medir el EDM de un nucleón de forma indirecta. Para ello hay que usar núcleos con ciertos números concretos de protones o de neutrones tales como 56, 88, 134, etc. El radio-224 tiene 88 protones y el radon-220 tiene 134 neutrones. Para medir el EDM lo ideal sería un núcleo cuyo número de protones y de neutrones estuviera en dicho listado. El ideal es el bario-144, que tiene 56 protones y 88 neutrones (recuerda que no existe ningún isótopo del radio, que tiene 88 protones, que tenga 56 neutrones, aunque sí existe uno con 134 neutrones). Por cierto, en teoría el núcleo del xenón-140, con 54 protones y 86 neutrones, también debería ser octopolar (tener forma de pera), pero no está confirmado de forma experimental.

 

Dibujo20160628 particle spectrum from CHICO2 measured in coincidence with gamma ray in GRETINA

Por todo ello, la observación de que el bario-144 tiene un núcleo con estado fundamental octopolar es muy importante a la hora de estudiar con precisión los EDM de los nucleones. Por supuesto, el nuevo artículo publicado en Physical Review Letters no presenta ninguna estimación del EDM. Aún así, se considera un importante avance para el futuro diseño de experimentos específicos en este sentido.

Hay que recordar que la medida del EDM de los nucleones no solo nos aportará información sobre la violación de simetrías discretas en el modelo estándar, y con ellas información sobre el origen de la asimetría materia-antimateria primordial (que requiere más violación CP (o T) de la que parece presentar el modelo estándar). También nos dará información sobre la posible existencia de física más allá del modelo estándar (BSM); tanto la supersimetría como otras teóricas BSM predicen un EDM mayor que el modelo estándar. Medir el EDM permite una búsqueda indirecta de física BSM.

En resumen, un resultado interesante, prometedor, pero cuya relación con los viajes con el tiempo es circunstancial (aunque haya sido el motivo por el cual en Twitter me han pedido que escriba esta entrada).



12 Comentarios

  1. Me llama la atención esa postura filosófica de que existe un universo allá afuera si científicamente la cognición y percepción operan al interior de nuestro organismo, no podemos hacer referencia a nada fuera de nuestro sistema biológico.

    1. Siéntate en la vía de un tren y espera a que pase. Verás como sí existe un universo allá fuera, al menos durante unos segundos.

      Una cosa es que vivamos en base a los datos que nuestro cerebro procesa de la realidad que estimula a nuestros sentidos (y cuyo procesamiento o estimulación puede ser y es imperfecta y sesgada). Otra, que no exista tal realidad. Precisamente la ciencia surge para poder conocer esa realidad con los mínimos sesgos “de fábrica” posibles.

      1. Fijate que el cerebro no procesa información (es demasiado lento para eso), la estructura interna de un sistema biológico opera como un sistema cerrado, los sentidos entregan información que está escrita previamente en los órganos sensoriales y es gatillada por estímulos del medio, en resumen es imposible acceder a cualquier realidad. El experimento del tren es interesante pero la gracia es que yo puede enviarte información sobre el universo después que el tren destroce mi organismo y eso no ocurre a menos que creas en la reencarnación.
        http://blog.pucp.edu.pe/blog/jesusrolando/2007/12/16/las-palomas-de-humberto-maturana-y-la-salamandra-de-sperry/

        1. “información que está escrita previamente en los órganos sensoriales”

          Eso implica que los órganos sensoriales deberían poseer algún tipo de memoria, ¿no te parece? Pero no, la memoria está en el cerebro.

          Además, debería ser una memoria super ultra gigantesca para que ahí estén escritas previamente todas las posibles combinaciones de eventos que el medio es capaz de generar.

          Además del además, escrita previamente ¿cómo? ¿Qué mecanismo puede dar existencia a esa ingente cantidad de bits de información escrita en una memoria? ¿Experiencia acumulada a lo largo de eones de evolución de las especies animales? Pero, un momento, si hay evolución… ¿evolución en relación a QUÉ?

          “y es gatillada por estímulos del medio”

          O sea que HAY un medio (por definición, un medio EXTERNO al animal) y el animal efectivamente RECIBE estímulos de dicho medio.

          Te contradices frontalmente, Rene. No le busques cinco patas a la salamandra. No tiene el más mínimo sentido que un animal posea órganos sensoriales si NO HAY una realidad externa y objetiva con la cual el animal debe interactuar para sobrevivir.

          El cerebro procesa y almacena información de manera paralela, holográfica, lo cual compensa sobradamente la relativa lentitud de los neurotransmisores electroquímicos.

          Por favor, te lo digo por tu bien, deja de leer esas absurdidades… o al menos deja de escribirlas. Según tú, yo estoy dentro de tu cabeza, así que en este momento estás dialogando contigo mismo. Pero, si dialogaras contigo mismo EN SILENCIO, esta realidad externa e inaccesible denominada Pelau te lo agradecerá infinitamente.

          Saludos (desde Neverland).

        2. Que el cerebro sea biologicamente cerrado , no significa que la conciencia lo sea.
          El cerebro es un sistema complejo, con pocos sensores fisicos, pero hay otros bastante complejos.

          No dare la lata .. pero un ejemplo es la intuicion. En este blog de ciencias .. donde se opina de ciencia, el sentido mas usado en casi todos los escritos de fisica de borde .. es el de la intuicion.

          Este blog de ciencias es 90% un blog de intuiciones e interpretaciones. En 10 años mas, mucho de lo que creiamos no era y lo que era no lo creiamos.

    2. Pelau La información está escrita en la estructura de los órganos sensoriales tanto como en el cerebro, la memoria biológica no es un almacenamiento estático, es dinámico (no es una copia de la realidad), el que exista un medio es irrelevante para nuestra percepción por que el medio no puede influir mas allá de lo que nuestra estructura permita (así como nuestra cognición), el procesamiento paralelo no es solución para tareas sencillas que requieren velocidad, un gato se moriría de hambre al tratar de cazar un ratón con procesamiento paralelo por eso su estructura ocular almacena información especifica para ese tipo de tareas, a su vez el ojo de un gato es inservible para un humano, Finalmente la percepción del universo no puede ir mas allá de lo que nuestra estructura biológica determine.
      https://books.google.cl/books?id=tDRUFtRG98AC&pg=PA55&lpg=PA55&dq=lo+que+el+ojo+de+la+rana+le+dice+al+cerebro+de+la+rana&source=bl&ots=Qp6JSlS36V&sig=w6CCUdbXSOzwUhGMB8lrjozLB3c&hl=es-419&sa=X&sqi=2&ved=0ahUKEwjfle7c0s7NAhVBgpAKHS1DAOEQ6AEIIjAC#v=onepage&q=lo%20que%20el%20ojo%20de%20la%20rana%20le%20dice%20al%20cerebro%20de%20la%20rana&f=false

        1. ¡La araña sorda! XD

          Casualmente mi gata es ciega (o casi, al parecer distingue zonas de luz y sombra, pero no formas) y se las arregla notablemente bien en su entorno cotidiano (el interior de mi casa y el jardín).

          Claro, la pobre ya no puede cazar ratones porque NO RECIBE del medio la información necesaria. Si su estructura ocular almacenara información específica para ese tipo de tareas… seguiría cazando ratones como una campeona.

          Cuando mi gata todavía veía, la muy lista aplicaba algo llamado PREDICCIÓN: apuntar NO al ratón sino un poco por DELANTE del ratón. Su porcentaje de acierto no era gran cosa porque los ratones también son muy listos, zigzaguean en patrones irregulares.

          Por eso los cazadores solitarios (como los gatos) hacen amplio uso de la emboscada: aproximación furtiva y ataque sorpresivo. Fin del “misterio”.

          Y por cierto, no estoy seguro de que el ojo de un gato sea inservible para un humano, pero si efectivamente es así, se me ocurren 3 causas muuuuy sencillas para ello:

          1) El tamaño del ojo gatuno y el tamaño de la cuenca ocular humana son evidentemente incompatibles (por no mencionar el sistema muscular para mover el ojo).

          2) Gatos y humanos son especies diferentes, el “cableado” del nervio óptico muy probablemente es distinto (por no mencionar la intensidad de la señal y su interpretación a cargo del cerebro humano).

          3) El rechazo del cuerpo humano a ese órgano sería “bastante” más serio que en el caso de los transplantes humano-humano.

          Saludos.

  2. Gracias por la entrada, Francis. Aunque es muy aclaradora, sería interesante saber (si se sabe) por qué (o cómo) pasan algunas de las cosas que comentas. Por ejemplo:
    -Su origen es la violación de la simetría de inversión temporal (T) por la interacción electrodébil (algo descubierto en 1964)
    -Estas violaciones están en el origen de la asimetría materia-antimateria primordial.

  3. La famosa paradoja del abuelo puede que sea un bucle infinito (absurdo) en un universo matemático. Pero en un universo físico, cuantizado, los infinitos hacen aguas. Me late que el bucle queda roto en algún punto, cargándonse al Teorema de Noether en el proceso.

    Hay un posible premio Nobel para Guth y Linde en relación a que el falso vacío puede crear infinitos universos de la nada. Pero, curiosamente, no puede crear de la nada a un modesto nieto asesino. Curioso, muy curioso.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 28 junio, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science
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