Podcast CB SyR 317: Ruido sobre neutrinos, las primeras plantas terrestres, la actividad estelar de Proxima y el espín del protón

Por Francisco R. Villatoro, el 30 abril, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Podcast Coffee Break: Señal y Ruido • Recomendación • Science

He participado en el episodio 317 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVooxiTunes], titulado “Ep317: Vehículo de Neutrinos; Primeras Plantas; Actividad Estelar; Spin del Protó», 29 abr 2021. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: La absurda idea de un vehículo de neutrinos (min 8:00); Basura espacial (30:00); El origen de las plantas terrestres (41:00); Eyecciones de masa coronal en estrellas (57:30); Superfulguraciones en Proxima Centauri (1:16:00); El spin del protón (1:38:00); Señales de los oyentes (2:09:30). 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».

Ir a descargar al episodio 317.

En la foto, en el Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife, su director Héctor Socas Navarro @hsocasnavarro (@pcoffeebreak), y por videoconferencia Sara Robisco Cavite @SaraRC83, Carlos González Fernández  @CarlosGnFd, 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 recuerda la triste noticia del reciente fallecimiento de Mike Collins, el astronauta que permaneció en el módulo de mando de la misión Apolo XI (recuerda que Neil Armstrong falleció en 2012 y que Buzz Aldrin tiene 91 años); Collins no pisó la Luna pero tuvo un papel clave en la misión. Héctor también nos recuerda que hoy se inicia su curso «El sistema solar y los orígenes de la vida» en Amautas [web].

Por otro lado dedicamos unos minutos al ruido del día, la tontería de un coche eléctrico que funciona con la energía de los neutrinos; la empresa/web Neutrino Energy lidera el proyecto de este hipotético coche (Pi Energy). Se propone usar un detector de neutrinos basados en un sándwich de hojas de grafeno y silicio como generador de energía eléctrica a partir de neutrinos; por supuesto esto es inviable. Obviamente, un buen candidato a premio ruido para este año.

Héctor ha hecho una cuenta de servilleta. Superkamiokande tiene 50 000 toneladas de agua ultrapura y encuentra al día (en promedio) 10 neutrinos solares y 15 neutrinos atmosféricos (25 en total); los neutrinos solares tienen una energía en promedio de 400 keV y los atmosféricos de unos ~1 GeV (aunque con mucha dispersión); la potencia total de energía que recibe Superkamiokande al día es de unos ~10⁻¹⁴ W (un valor ridículo). Para hacer un cargador de móvil (~1 W) se necesitan unos ~10¹⁵ Superkamiokandes. Y un automóvil requiere muchísima más energía por segundo.

La noticia se ha publicado en muchos medios, por ejemplo, en Daniel A. López, «El automóvil PI de Neutrino Energy: un nuevo concepto de movilidad», Europa Press, 18 mar 2021; recomiendo el trabajo fin de master de Michael Hoenes, «Potential of harvesting solar neutrinos to power electric cars,» Master Thesis, KTH (2019) [PDF].

Héctor pasa a comentar una noticia reciente sobre el problema de la basura espacial. Se estima que orbitan alrededor de la Tierra más de 129 millones de objetos mayores de un milímetro (unos 900.000 de más de un centímetro y unos 34 000 de más de diez centímetros). Entre el 20 y el 23 de abril de 2021 se ha celebrado la 8ª Conferencia Europea sobre Basura Espacial (este año un encuentro virtual) organizada por la Agencia Espacial Europea (ESA). Nos cuenta Héctor que en 2025 se tiene previsto lanzar la misión ClearSpace de la ESA, la primera del mundo destinada a estudiar la basura espacial (el objetivo es estudiar la etapa superior Vespa, abandonada en una órbita de entre 800 y 660 km de altitud tras el segundo vuelo de este lanzador en 2013).

No hay que olvidar que incluso fragmentos pequeños en la basura espacial pueden ser muy peligrosos porque viajan a velocidades de hasta 56 000 km/h. Más información en «‘Hora de actuar’ frente a la basura espacial», Agencia SINC, 20 abr 2021.

Nos cuenta Sara un nuevo artículo sobre el origen de las plantas terrestres. Se ha realizado un estudio filogenético de los principales linajes de plantas terrestres (embriofitas). Se ha descubierto que el origen de las briofitas (plantas terrestres no vasculares) es monofilético (su origen es una población ancestral única). Así las briofitas serían el origen de todas las plantas terrestres. Nos cuenta Sara que para obtener esta conclusión han construido múltiples árboles filogenéticos que han sesgado usando algoritmos de estadística bayesiana.

Lo más novedoso es que se estima que las plantas terrestres se originaron en el Precámbrico (980–682 Ma), mucho más antiguo de lo que actualmente se pensaba. Por supuesto, este tipo de estudios de filogenia molecular siempre generan mucha polémica entre los expertos. Así que no podemos fiarnos de esta conclusión hasta que se confirme de forma independiente y se alcance un consenso científico entre los expertos. El artículo es Danyan Su, Lingxiao Yang, …, Bojian Zhong, «Large-scale phylogenomic analyses reveal the monophyly of bryophytes and Neoproterozoic origin of land plants,» Molecular Biology and Evolution 2021: msab106 (19 Apr 2021), doi: https://doi.org/10.1093/molbev/msab106.

Por cierto, Sara nos comenta que ya hubo indicios de que las primeras plantas terrestres aparecieron antes de lo que se estimaba, aunque no tan pronto como en el nuevo artículo. Dicha trabajo es Claudia V. Rubinstein, Vivi Vajda, «Baltica cradle of early land plants? Oldest record of trilete spores and diverse cryptospore assemblages; evidence from Ordovician successions of Sweden,» GFF 141: 181-190 (24 Jul 2019), doi: https://doi.org/10.1080/11035897.2019.1636860.

Nos habla Héctor sobre un artículo que afirma haber observado por primera vez una eyección de masa coronal en una estrella distinta del Sol. Su idea es correlacionar las fulguraciones estelares (flares), lo que podemos observar, con las eyecciones de masa, que no podemos observar. Su usa el Sol como modelo; se ha observado que en el ultravioleta, tras una fulguración (abrillantamiento) previa a una eyección de masa coronal se observa un oscurecimiento (dimming) posterior. Bajo la hipótesis de que lo mismo ocurre en otras estrellas, han buscado fulguraciones en estrellas con un oscurecimiento posterior en ultravioleta y rayos X; han encontrado 21 eventos en 13 estrellas diferentes (entre ellas AB Doradus, una enana naranja, y Proxima Centauri, una enana roja). Si se confirma su hipótesis se trataría de las primeras observaciones (indirectas) de eyecciones de masa de coronal estaleres (que no solares).

Comenta Héctor que resulta curioso la idea de que las fulguraciones, que son abrillantamientos, tengan asociados oscurecimientos; pero destaca que esto ocurre en UV y rayos X, porque en el visible el brillo del disco de la estrella prácticamente no cambia durante una fulguración (cuyo brillo es muy pequeño comparado con el del disco solar). Nos cuenta Héctor que AB Dor tiene una gran mancha en su polo que podría ser la fuente de estas erupciones de masa coronal. El artículo es Astrid M. Veronig, Petra Odert, …, Hugh S. Hudson, «Indications of stellar coronal mass ejections through coronal dimmings,» Nature Astronomy (22 Apr 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41550-021-01345-9 (https://tinyurl.com/jk87xda2).

Héctor pasa a otro artículo sobre fulguraciones en Proxima Centauri; la primera autora ya fue noticia en el podcast, en el episodio 299 (LCMF, 24 dic 2020). Toma el testigo Carlos, quien nos describe una fulguración enorme en Proxima Centauri que ocurrió el 1 de mayo de 2019, alcanzando una energía bolométrica en el visible de 10³¹ erg (el famoso evento Carrington alcanzó ~ 10³³ erg). Ha sido observada en el ultravioleta lejano y en ondas milimétricas gracias a múltiples instrumentos: ASKAP, ALMA, HST, TESS y el Telescopio du Pont. Se trataría de la fulguración más brillante observada en Proxima Centauri, mayor en un factor > 1000 según ALMA y > 14000 según HST. Estas fulguraciones podrían ser muy habituales en Proxima Centauri, quizás haya una cada pocos días. El artículo es Meredith A. MacGregor, Alycia J. Weinberger, …, Jaymie Matthews, «Discovery of an Extremely Short Duration Flare from Proxima Centauri Using Millimeter through Far-ultraviolet Observations,» The Astrophysical Journal Letters 911: L25 (21 Apr 2021), doi: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abf14c, arXiv:2104.09519 [astro-ph.SR] (19 Apr 2021).

Nos cuenta Carlos que este artículo apunta a que no puede haber vida en el planeta Proxima Centauri b, que se encuentra en la zona de habitabilidad. Por un lado, estas fulguraciones con gran energía en el ultravioleta impedirían la existencia de vida (que requiere dosis mínimas para provocar mutaciones pero que no suporte grandes dosis que impiden la evolución); además, comenta Héctor que si están fulguraciones van acompañadas de eyecciones de masa coronal barrerían la atmósfera potencial del exoplaneta, con lo que ya no sería posible la existencia de agua líquida en su superficie (la zona de habitabilidad es la región puede haber agua líquida en superficie si hay una atmósfera suficientemente densa). Un varapalo para las posibilidades de que Proxima Centauri b sea habitable. Un artículo con modelos computacionales sobre este tema es Matt A. Tilley, Antigona Segura, …, James Davenport, «Modeling Repeated M-dwarf Flaring at an Earth-like Planet in the Habitable Zone: I. Atmospheric Effects for an Unmagnetized Planet,» Astrobiology 19: 64-86 (2019), doi: https://doi.org/10.1089/ast.2017.1794.

Me pide Héctor que hable de un reciente artículo en Nature Physics que mide el espín del protón. El problema del espín del protón (a veces llamado la «crisis del espín del protón») es un problema que se planteó hace más de 30 años y que no tiene visos de resolverse hasta cerca de 2030. A principios de los 1980 se pensaba que se entendía muy bien el origen del espín del nucleón (el problema afecta al protón y al neutrón). El protón tiene un espín 1/2 (en rigor ħ/2) y sus tres quarks de valencia también tienen espín 1/2, con lo que basta sumar los espines (sumando ↑↑↓ = ↑); es decir, el espín del protón coincidiría con el espín de un quark porque los espines de los otros dos quarks apuntan en direcciones opuestas y se compensan. Una solución trivial inspirada en la carga del protón (+1)  y del neutrón (0) que es resultado de la suma de las cargas de sus quarks de valencia (+1=+2/3+2/3−1/3, y 0=+2/3−1/3−1/3).

Las soluciones triviales no gustan en Física, porque a veces ocultan sorpresas. Los tres quarks de valencia dentro del protón se encuentran en un «mar» de gluones virtuales y de pares quark-antiquark virtuales. ¿Cuánto contribuyen el momento angular orbital de los quarks, el espín de los gluones virtuales y el momento angular orbital de los gluones y pares virtuales? Se pensó en realizar un experimento para confirmar que su contribución era despreciable y que el espín del protón estaba dominado por el espín de sus quarks (repito, como pasa con su carga eléctrica).

Ese era el objetivo del experimento EMC (European Muon Collaboration) en el CERN. En el experimento EMC un haz de muones polarizados incide sobre los protones polarizados (todos en la misma dirección) de un blanco de amoníaco (NH₃) polarizado; los muones alcanzaban una energía de hasta 200 GeV para explorar los quarks de menor momento lineal (Q) en el interior del protón. La colisión de un muón contra un protón es electromagnética, mediada por fotones, en concreto, se trata de una colisión del muón con un quark del interior del protón. El muón desvía su trayectoria y dicha desviación depende de la relación entre los espines del muón y del quark. De esta forma se puede medir el espín de los quarks en el interior del protón; lo que se esperaba es que el espín medido fuera similar al espín del protón, porque se estaría midiendo el espín de un solo quark, ya que la contribución de los otros dos quarks se cancelaría (↑↓ = 0).

El problema del espín del protón nació en el año 1987 cuando se publicaron los primeros resultados del experimento EMC: el espín de los quarks era entre el 4 % y el 24 % del espín del protón, en lugar de casi el 100 % como uno esperaría. El resultado apuntaba a que o bien el experimento EMC estaba mal, o bien la teoría QCD estaba mal, por eso se habló de la «crisis del espín del protón». En años sucesivos otros experimentos confirmaron la crisis (como Hermes y JLab); las primeras simulaciones numéricos con QCD en el retículo (lattice QCD) también apuntaban hacia la crisis.

La solución al problema puede ser que contribuya el momento angular (orbital) de los quarks, o el espín de los gluones, o el momento angular (orbital) de los gluones y pares quark-antiquark virtuales. Por ello había que intentar estimar cuánto contribuyen los gluones, algo que requiere estudiar el plasma de quarks y gluones en el interior del protón. En 2006 la colaboración COMPASS en el CERN y en 2008 el colisionador RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider ) del Brookhaven Laboratory (Long Island, New York) lograron estimar la contribución del espín de los gluones en un 50 % (aunque el error era grande); una buena señal, pero este número era menor de lo necesario (más del 75 %).

¿Qué aportaba la teoría QCD a este asunto? Los cálculos en QCD en el retículo son extremadamente complicados porque los gluones tienen hipercarga de color (a diferencia de los fotones que son neutros). Las simulaciones por ordenador apuntan desde 2013 a que como la mitad del espín del protón es debida al espín de los gluones virtuales (es decir, la polarización del vacío de la QCD). En 2016 el experimento RHIC apuntó también en esta línea. Pero el problema sigue abierto. La solución al problema se espera gracias al futuro experimento Electron–Ion Collider (EIC) que empezará a tomar datos en 2025 (que podría resolver el problema alrededor de 2030); como el nombre indica usará electrones en lugar de muones.

Así llegamos al nuevo artículo publicado en Nature Physics. Según nos cuenta en la introducción hoy en día se estima que el (30±5) % del espín del protón es debido al espín de los quarks y que el espín de los gluones contribuye del orden del (35–40) %, siendo el resto momento angular orbital de quarks y gluones. El nuevo artículo presenta los resultados de experimentos con electrones polarizados con energías de 3.0, 2.3, 2.0, 1.3 y 1.1 GeV producidos en el CEBAF del JLab (Jefferson Lab’s Continuous Electron Beam Accelerator Facility) contra un blanco polarizado de amoníaco (NH₃) enfrido a 1 K bajo un campo magnético de 5 T (que alinea los espines del amoníaco en la misma dirección en la que se alinean los espines de los electrones). La precisión en la polarización (alineamiento de los epines) del haz y del blanco se estima entre (2−5) %. Los electrones desviados se detectan con el espectrómetro CLAS (CEBAF Large Acceptance Spectrometer) que incluye detectores de trazas de partículas cargadas, detectores de centelleo, calorímetros electromagnéticos y contadores de luz Cherenkov  (entrar en los detalles nos llevaría lejos).

El resultado del experimento es una estimación de las llamadas funciones de estructura del espín del protón (proton spin structure functions). Sin entrar en detalles matemáticos, se estiman las funciones de estructura g₁(Q²) y el producto A₁(Q²)F₁(Q²), así como sus integrales I(Q²) y Γ₁(Q²); en la figura muestro los resultados para estas últimas. La novedad del artículo es que se comparan con las observaciones experimentales con las predicciones de los modelos quirales efectivos, que aproximan el interior del protón con pares mesón-antimesón virtuales, de Bernard et al. PRD (2012), https://doi.org/10.1103/PhysRevD.87.054032, y Alarcón et al. PRD (2020), https://doi.org/10.1103/PhysRevD.102.114026 (José Manuel Alarcón es de la Universidad Complutense de Madrid).

Las figuras muestran que para pequeños momentos (el mínimo alcanzado en el experimento es 0.012 GeV²) los resultados teóricos y experimentales coinciden muy bien. Pero la desviación para Q² > 0 es enorme para el modelo de Bernard et al. (2012), mientras que la desviación no es tan grande para el modelo de Alarcón et al. (2020); eso sí, la discrepancia crece conforme Q² se acerca a la unidad (el límite superior asociado a la masa del protón). Así los datos experimentales apuntan a que los modelos efectivos χEFT no son capaces de describir de forma precisa todas las observables asociados al espín del protón. Hay que mejorar los modelos χEFT y en paralelo mejorar las simulaciones LQCD para el nucleón.

Así que el nuevo artículo no resuelve el problema y lo único que nos aporta es la necesidad de mejorar los modelos teóricos, sobre todo de cara a la interpretación de los resultados de EIC. Así el problema sigue abierto. El nuevo artículo es X. Zheng, A. Deur, …, Z. W. Zhao, «Measurement of the proton spin structure at long distances,» Nature Physics (12 Apr 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-021-01198-z, arXiv:2102.02658 [nucl-ex] (04 Feb 2021). Como resumen del estado actual de la cuestión recomiendo leer a Edwin Cartlidge, «The spin of a proton,» Physics World, 04 Jun 2015.

Y pasamos a Señales de los Oyentes. En el chat se ha discutido el tema del efecto de las fulguraciones y eyecciones solares en el origen de la vida de la Tierra. Cristina Hernandez García ​pregunta «¿se podría saber con seguridad si estrellas como Teegarden’s fulguran como otras enanas rojas o realmente hay algunas enanas rojas poco o nada fulgurantes?» Contesta Carlos que aún ignoramos muchas cosas.

XboxManiac pregunta «¿Llegásteis a aclarar qué eran los asterolitos que cayeron por todas partes hace como 20 años? Hubo heridos, no sé si un muerto. La verdad, eran un espectáculo, como un cometa en vertical…» En la tertulia confesamos que no tenemos ni idea (podemos buscarlo en Google, pero también puede hacerlo el oyente).

Y yo tengo que abandonar la tertulia para impartir clases… ¡Qué disfrutes del podcast!



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