Podcast CB SyR 315: Egiptología, evento Adams, materia oscura en Júpiter, energía oscura y fermiones de Majorana

Por Francisco R. Villatoro, el 16 abril, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Podcast Coffee Break: Señal y Ruido • Recomendación • Science ✎ 5

He participado en el episodio 315 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVooxiTunes], titulado “Ep315: Vacunas; Egiptología; Evento Adams; Materia Oscura en Júpiter; Magnetismo Oscuro; Fermiones de Majorana», 15 abr 2021. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: La seguridad de las vacunas (min 8:00); Descubierta la Ciudad Dorada Perdida del antiguo Egipto (19:00); Evento Adams: Cuando la Tierra perdió su escudo magnético (38:00); Júpiter como detector de materia oscura (56:00); La discrepancia en la constante de Hubble y los Fast Radio Bursts (1:16:00); Modelo cosmológico alternativo con materia oscura magnética (1:29:30); La crisis de los fermiones de Majorana (1:46:00); Señales de los oyentes (2:17:00). Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso. CB:SyR es una colaboración del Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife con el Área de Investigación y la UC3 del Instituto de Astrofísica de Canarias».

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En la foto, en el Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife, su director Héctor Socas Navarro @hsocasnavarro (@pcoffeebreak), y por videoconferencia María Ribes Lafoz @Neferchitty, Beatriz Ruiz Granados @cmbearg, Sara Robisco Cavite @SaraRC83,  Gastón Giribet @GastonGiribet, y Francis Villatoro @emulenews.

El vídeo de YouTube de la grabación en directo incluye algunos trocitos que no se emiten y un chat del que se extraen las preguntas de la sección Señales de los Oyentes. Recuerda que Coffee Break: Señal y Ruido es un podcast, no un canal de YouTube.

Tras la presentación, Héctor nos recuerda que el podcast cumple 6 años con al menos un episodio semanal. Me pide que comente algo sobre el estado actual de las vacunas contra la COVID y el riesgo de VIPIT (inmunotrombocitopenia protrombótica inducida por vacunas) que ha paralizado las vacunaciones con AstraZeneca y ahora con Janssen. En mi opinión, las agencias de farmacovigilancia (como la EMA o la AEMPS) deberían haber modificado su normativa para adaptarla a la situación actual de pandemia y evitar que durante la fase IV de las vacunas contra la COVID se paralizara su uso ante riesgos potenciales de muy baja prevalencia.

Luego Héctor le da paso a María que nos cuenta que se ha descubierto una ciudad perdida en Egipto, bautizada Ciudad Dorada Perdida (lo ha anunciado el famoso egiptólogo Zahi Hawass). Se encuentra en la orilla occidental de Luxor y se trataría de la mayor ciudad descubierta hasta la fecha en Egipto, una gran ciudad industrial y administrativa. Más información en Carme Mayans, «Descubren una ciudad perdida en Egipto,» National Geographic, 09 abr 2021.

Nos propone Sara la siguiente cuestión: ¿afectó el campo magnético de la Tierra a nuestra evolución? La hipótesis de que el campo magnético terrestre influye en la evolución de la vida se publicó en Nature en 1963. Durante las inversiones de la polaridad magnética terrestre se debilita la protección geomagnética, con lo que los rayos cósmicos incrementan la tasa de mutación. Se publica en Science indicios que vuelven a poner esta hipótesis en candelero. Los rayos cósmicos incrementarían la ionización atmosférica y bajarían los niveles de ozono estratosférico. Se estudio el cambio de polaridad magnética de la Tierra llamado de evento de Adams (por el autor de ciencia ficción que usó en su famosa novela el número 42) de hace unos 42 000 años. Analizan el carbono-14 en los árboles kauris fosilizados de Nueva Zelanda, los más grandes y longevos del mundo estiman la actividad de los rayos cósmicos. Y lo comparan con la magnitud del campo geomagnético de datos paleomagnéticos en sedimentos.

El resultado es que se incrementó el contenido de carbono-14 en la atmósfera durante el evento Adams (también llamado evento de Laschamps). Según los modelos climáticos su causa son los cambios en la concentración de ozono atmosférico. Estos cambios hace 42 000 años coinciden con cambios en la evolución humana, como el incremento del arte rupestre figurativo así como de las huellas de manos en cuevas. Según los autores, los humanos se refugiaron en cuevas durante el Laschamps, como refugio ante el aumento de rayos ultravioleta. Además, se produjo la extinción de los neandertales y de las primeras culturas europeas de humanos anatómicamente modernos.

¿Por qué no afectó a los humanos modernos? ¿Afectó el color de la piel? No se sabe si los humanos tienen alguna protección epidérmica contra los rayos ultravioleta. ¿Eran los humanos más resistentes a las mutaciones genéticas que los neandertales? Tampoco se sabe. Por supuesto, la llegada del Laschamps no produjo una extinción catastrófica sino solo una acumulación de mutaciones producidas por la radiación sobre múltiples generaciones, durante algunos miles de años. Como siempre ante estas hipótesis hay que recordar que correlación no implica causalidad. El artículo es Alan Cooper, Chris S. M. Turney, …, Roland Zech, «A global environmental crisis 42,000 years ago,» Science 371: 811-818 (19 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1126/science.abb8677; más información en Josep M. Parés, «¿Afectó el campo magnético de la Tierra a nuestra evolución?» The Conversation, 02 abr 2021.

Nos comenta Héctor un trabajo reciente de investigadores del SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) del SLAC National Accelerator Laboratory. La observación de Júpiter en rayos gamma con el telescopio espacial Fermi permite buscar materia oscura. La aniquilación de partículas (y antipartículas) de materia oscura (a veces se asume que la partícula es idéntica a su antipartícula) produce rayos gamma que permiten una búsqueda indirecta. En los datos de los últimos 12 años no se ha encontrado ningún exceso, lo que pone nuevos límites de exclusión en el rango sub-GeV (para masas entre 0.03 y 10 GeV/c²). En el rango sub-GeV los nuevos límites son unos diez órdenes de magnitud que los que se pueden obtener mediante búsquedas directas (que están en el rango GeV, como la masa de los átomos que se usan como material de detección).

Nos comenta Héctor que se ha observado un exceso por debajo de 15 MeV cuya significación estadística es mayor de 4.6 sigmas entre 10 y 11.2 MeV, pero solo 2.3 sigmas entre 11.2 y 12.6 MeV, y 1.32 sigmas entre 12.6 y 14.1 MeV. ¿Casi se ha descubierto la materia oscura? No tan rápido vaquero. Muchos efectos sistemáticos podrían ser los responsables, ya que se conoce poco la emisión de Júpiter en dicho rango de rayos gamma. Además, el exceso alrededor a 10 MeV debería producir un exceso a 20 MeV que no se observa; así que todo apunta a problemas de calibración del instrumento (no olvidemos que Fermi-LAT no se diseñó para estudiar con precisión la región MeV).

Recuerda un exceso a 5 sigmas en un único instrumento no es un descubrimiento, solo es una señal que requiere un estudio independiente. Como se observa en esta figura, por encima de 1 GeV no se observa emisión en Júpiter. El exceso que se observa alrededor de 15 MeV no se puede explicar fácilmente con una partícula de materia oscura (que tendría una masa de unos 30 MeV/c²); su forma no es la predicha por las teorías efectivas, así que no debemos lanzar las palomas al vuelo. Eso sí, lo más interesante del exceso es que apoya el uso de Júpiter como detector de materia oscura; un fuerte impulso al desarrollo de telescopios espaciales de rayos gamma en el rango MeV (como los futuros AMEGO y e-ASTROGAM). Gracias a estos futuros instrumentos se podrán realizar búsquedas indirectas de materia oscura en el rango MeV que son imposibles con los detectores directos de materia oscura actuales. El artículo es Rebecca K. Leane, Tim Linden, «First Analysis of Jupiter in Gamma Rays and a New Search for Dark Matter,» arXiv:2104.02068 [astro-ph.HE] (05 Apr 2021).

Nos cuenta Bea una nueva estimación de la constante de Hubble basada en nueve brotes rápidos de radio (FRBs): pulsos transitorios de milisegundos que se observan entre ∼ 100 MHz y unos pocos de GHz y se asocian con magnetares. Algunos se repiten, con lo que se estimar la distancia a la que se encuentran usando la dispersión de estos pulsos de radio debida a los electrones libres que e encuentran en su camino hasta nosotros (el efecto de las estructuras del universo a gran escala). El resultado es poco preciso, H0 = 62.3 ± 9.1 km/s/Mpc (se han usado FRBs con desplazamiento al rojo z entre 0.0337 y 0.66).

Lo más relevante es que se estima que con una muestra de unos 500 FRBs localizados (con contraparte óptica) se podría obtener un resultado competitivo. Pasar de 9 a 500 FRBs parece razonable en esta década. El artículo es Steffen Hagstotz, Robert Reischke, Robert Lilow, «A new measurement of the Hubble constant using Fast Radio Bursts,» MNRAS (submitted), arXiv:2104.04538 [astro-ph.CO] (09 Apr 2021).

La causa potencial de la aceleración de la expansión del universo (R»)  se denomina energía oscura y es compatible con la constante cosmológica. Su causa podría ser la materia oscura (Rₘ») , si ésta interaccionase consigo misma mediante una nueva fuerza repulsiva proporcional a σ²/r², donde r es la distancia y σ es la dispersión en la velocidad de las galaxias; esta fórmula está inspirada en la fuerza de Lorentz en el magnetismo. Así la materia oscura se explicaría con un fotón oscuro que sería un bosón gauge de una nueva interacción U(1). Como muestra la figura el ajuste de la curva de aceleración R»/Rₘ» para fuerzas σ¹/r², σ²/r² y σ³/r² favorece una de tipo σ²/r². Obviamente, esta explicación podría ser solo una simple coincidencia. Máxime cuando el nuevo artículo presenta un modelo clásico trivial; algo parecido a una simple cuenta de servilleta apoyada por simulaciones cosmológicas usando el software RAMSES con condiciones iniciales producidas por MUSIC basadas en los datos del telescopio espacial Planck.

Como muestra esta figura las simulaciones cosmológicas que incluyen el nuevo modelo para la materia oscura tienen una enorme dispersión, con lo que la coincidencia para algunas de ellas se puede considerar accidental. Además, los autores indican en su artículo, como destaca Héctor, que la propuesta tiene muchos problemas a distancias cortas (dentro de los halos galácticos); algo que se podría resolver con un ajuste fino introduciendo una especie de apantallamiento a corta distancia.

Por ello creo que este modelo de la materia oscura tiene pocos visos de ser correcto, pero se ha publicado en ApJ. El artículo es Karoline Loeve, Kristine Simone Nielsen, Steen H. Hansen, «Consistency Analysis of a Dark Matter Velocity-dependent Force as an Alternative to the Cosmological Constant,» The Astrophysical Journal 910: 98 (01 Apr 2021), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abe5a2, arXiv:2102.07792 [astro-ph.CO] (15 Feb 2021); más información en Michael Irving, ««Magnetic» dark matter may be accelerating the universe’s expansion,» New Atlas, 06 Apr 2021.

La controversia sobre las observaciones de los fermiones de Majorana en nanohilos. «Evidence» significa indicio o prueba en inglés; en 2012 se anunció los primeros indicios («evidences») de la observación de cuasipartículas de tipo fermión de Majorana en nanohilos colocados sobre un material superconductor (uno de los candidatos al Breakthrough of the Year 2012 de la revista Science). Por desgracia dichos indicios han estados envueltos de mucha polémica (un futuro premio Nobel a los fermiones de Majorana está en candelero). Lo que se observa es un pico en la conductancia conforme crece el campo magnético; en la figura se observa para un campo magnético entre 1.5 y 2 teslas (T). Algunos grupos no han logrado observar esta señal y otros grupos apuntan a una señal que aparece y desaparece cuyo origen podría ser un efecto que no tiene nada que ver con los fermiones de Majorana.

El punto álgido ha sido la retirada el 8 de marzo de 2021 de un artículo de 2018 en la prestigiosa revista Nature (Hao Zhang, …, S. Das Sarma, Leo P. Kouwenhoven, «RETRACTED ARTICLE: Quantized Majorana conductance,» Nature 556: 74-79 (28 Mar 2018), doi: https://doi.org/10.1038/nature26142; por cierto, yo no me hice eco de dicho artículo en este blog porque no tenía claro si lo merecía y, por casualidad, acerté con mis dudas); más información en Davide Castelvecchi, «Evidence of elusive Majorana particle dies — but computing hope lives on Nature retraction is a setback for Microsoft’s approach to quantum computing, as researchers continue to search for the exotic quantum states,» Nature 591: 354-355 (10 Mar 2021), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00612-z.


La retirada del artículo de 2012 fue propiciada por los propios autores, que repitieron sus experimentos y publicaron los nuevos resultados en Hao Zhang, …, S. Das Sarma, Leo P. Kouwenhoven, «Large zero-bias peaks in InSb-Al hybrid semiconductor-superconductor nanowire devices,» arXiv:2101.11456 [cond-mat.mes-hall] (27 Jan 2021). Este artículo explica sus observaciones previas debido a la presencia de defectos en el nanohilo que reaccionan ante los campos magnéticos aplicados. En mi opinión, su necesidad de repetir su trabajo previo tiene como razón última un artículo en Science de 2020 que no observó los fermiones de Majorana en un nanohilo muy similar (de este artículo me hice eco en «Science publica un artículo negativo: no se observan fermiones de Majorana», LCMF, 11 ene 2020): Morteza Kayyalha, Di Xiao, …, Cui-Zu Chang, «Absence of evidence for chiral Majorana modes in quantum anomalous Hall-superconductor devices,» Science 367: 64-67 (03 Jan 2020), doi: https://doi.org/10.1126/science.aax6361.

Microsoft ha apostado por los ordenadores cuánticos basados en los fermiones de Majorana en nanohilos publicados en 2012 (el autor principal creó una compañía en 2016 para explotar su uso y Microsoft montó una alianza con ella). La observación de los modos de Majorana en nanohilos podría abrir una vía muy prometedora en computación cuántica robusta, la llamada computación cuántica topológica. Se puede diseñar un cúbits robusto basado porque los fermiones de Majorana tienen cierto efecto «memoria» de su posición en el nanohilo, de tal forma que su estado depende de la trayectoria que han recorrido; al intercambiar las posiciones de dos de ellos, el resultado final es diferente si el intercambio ocurrió en sentido horario o antihorario, los dos posibles valores del bit. A nivel cuántico el estado es una superposición de ambas posibilidades. Usando una serie de fermiones de Majorana en un nanohilo, junto a un proceso que permita el intercambio de sus posiciones, se pueden implementar diferentes puertas lógicas cuánticas.

El artículo de 2012 en lugar de ser una alfombra roja para el Nobel se empezó a ver como una interpretación sesgada de las observaciones desde 2014, cuando se publicaron varias explicaciones alternativas. Un hito histórico, la observación de los fermiones que Majorana predichos en 1937, se ha transformado en un fiasco. El logro que estaba considerado un santo grial en este campo (más de cien grupos de investigación intentan observarlos y unas dos docenas han creído observarlos) ahora está siendo considerado algo «casi» imposible de lograr. Nos lo cuenta Sergey Frolov que ha publicado una de las explicaciones alternativas en P. Yu, J. Chen, …, S. M. Frolov, «Non-Majorana states yield nearly quantized conductance in proximatized nanowires,» Nature Physics 17: 482-488 (04 Jan 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-020-01107-w, arXiv:2004.08583 [cond-mat.mes-hall] (18 Apr 2020).

Nos lo cuenta de forma estupenda Sergey Frolov, «Quantum computing’s reproducibility crisis: Majorana fermions,» Nature 592: 350-352 (12 Apr 2021), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00954-8. Destaca que hay quienes dudan de su campo de investigación (el transporte cuántico, es decir, la medida del paso de corrientes eléctricas en dispositivos cuánticos en la nanoescala). En su opinión el sesgo de confirmación («cherry-picking») es la causa de la polémiica (que los investigadores seleccionan los datos que apoyan su hipótesis, la existencia de fermiones de Majorana, omitiendo datos que apuntan en dirección opuesta). Frolov considera que la revisión por pares no es suficiente para detectar estas prácticas; en su opinión sería necesario mayor transparencia (open data) en la línea de la iniciativa FAIR (findability, accessibility, interoperability and reusability).

Y pasamos a Señales de los Oyentes. Contestamos una pregunta de Cuan Tin:​ «Desde cierto empirismo radical, se sostuvo que la ciencia sólo debe interesarse acerca de cómo suceden las cosas y no acerca de por qué suceden. ¿Por qué hemos sido tan obedientes?» Contesto que los porqués están más allá de lo que la ciencia puede contestar pues sus métodos solo acceden a los cómos. Gastón apostilla que los porqués en Física nos llevan a usar el principio de antrópico entre otros, pero destaca que lo relevante de los porqués es que vehiculan las preguntas interesantes; en ese sentido son como un paso paso intermedio en la «cocina científica». Por desgracia la ciencia no puede contestar los porqués (que no sean triviales), solo los cómo (gracias a la metodología científica). Pero según Gastón el acto volitivo de buscar está vehiculado por los porqués. 

Finalmente, Héctor nos presenta una Agenda Cultural. ¡Qué disfrutes del podcast!



5 Comentarios

  1. Genial como siempre, resulta perturbador lo de la materia oscura. ¿Aceptar una materia oscura que genera una energía oscura no es asumir un universo oscuro?

    (Oscuro me refiero a no observable, causalmente desconectado y «aquí» mismo localizado) saludos Francis.

    1. Javi, según el modelo cosmológico de consenso (ΛCDM) el ~ 95 % de la densidad de energía total del universo es oscura; a eso se le llama universo oscuro, pero no está casualmente desconectado del ~ 5 % restante (interaccionan gravitacionalmente).

  2. Hola Francis, muy interesante tu aportación sobre los fermiones de Majorana. Sólo aclarar que la hipótesis alternativa de Andreev no es de Frolov sino de un trabajo del 2014 del que soy coautor https://www.nature.com/articles/nnano.2013.267 . Ya desde incluso antes llevamos trabajando en esas explicaciones alternativas, como resultado de esto nos invitaron a escribir un artículo de revisión en Nature Reviews Physics https://www.nature.com/articles/s42254-020-0228-y liderado desde nuestro grupo en Madrid (en el que, como ves, participa Leo Kouwenhoven). También con Leo, escribí este artículo invitado en Physics Today donde ya en Junio del 2020 dejamos claro que no está demostrado que se hayan medido Majoranas https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4499 . Por cierto, la anécdota de la empresa que compró Microsoft creo que no es cierta, pero le preguntaré a Leo. Abrazos!

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