El vacío es una sustancia… (mi charla #Naukas21)

Por Francisco R. Villatoro, el 24 septiembre, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Recomendación • Science ✎ 26

Mi charla Naukas Bilbao 2021 ya está disponible en vídeo (EITB). Titulada “El vacío es una sustancia», con 10:00 minutos de duración, presenta el gran resultado del año en física de partículas: la desviación a 4.2 sigmas entre el momento magnético anómalo del muón medido por el experimento Muon g−2 del Fermilab y la predicción teórica de consenso del modelo estándar. Si en los próximos años se confirma esta discrepancia, podríamos estar ante la primera señal firme de física más allá del modelo estándar. Sin embargo, no debemos olvidar que su origen podría estar en la estimación del efecto de la polarización del vacío hadrónico (el término dominante más allá del electromagnetismo); una estimación usando cromodinámica cuántica en el retículo (lattice QCD), aún sin confirmar, apunta a que no necesitamos nueva física. A pesar de ello se han publicado más 280 artículos que intentan explicar la discrepancia usando el vacío asociado a nuevas partíuclas.

En este blog te recomiendo leer «Muon g−2 del Fermilab incrementa a 4.2 sigmas la desviación en el momento magnético anómalo del muón», LCMF, 07 abr 2021; «La anomalía g−2 del muón provoca un tsunami de publicaciones entre los físicos teóricos», LCMF, 10 abr 2021 (ya son casi 300 artículos); «La estimación con LQCD de la contribución cromodinámica al momento magnético anómalo del muón», LCMF, 10 may 2021; «Lo que esperamos del experimento Muon g−2 del Fermilab y otras anomalías relacionadas con muones», LCMF, 03 abr 2021; entre otras piezas. También puedes disfrutar de los podcasts «Podcast CB SyR 314: Marte, el experimento Muon g−2, USS Jellyfish y las bromas del uno de abril», LCMF, 09 abr 2021; «Francis en LFDLC: El experimento Muon g−2 del Fermilab y ‘Oumumua (programa 500)», LCMF, 18 may 2021.

Puedes disfrutar del vídeo de mi charla en EiTB Kosmos.

Fuente: http://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/Nobel/

[10:00] El vacío cuántico es una sustancia. El vacío es el estado de mínima energía de un campo cuántico, un estado sin partículas, con fluctuaciones cuánticas de punto cero. El vacío es un océano de partículas virtuales que aparecen y desaparecen, pero siempre cumpliendo con el principio de indeterminación de Heisenberg para el cambio en la energía y la duración de dicho cambio (ΔE Δt ≥ ħ/2). El vacío es una sustancia y tiene propiedades que podemos medir observando las partículas en su seno.

Fuentes: Jorge Cham, PHD Comics https://physics.aps.org/articles/v14/47 y https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.141801.

[09:20] La gran noticia científica de este año en física de partículas es la nueva medida del momento magnético anómalo del muón, un efecto debido a la polarización del vacío.  El pasado 7 de abril de 2021, el experimento Muon g-2 en el Fermilab, cerca de Chicago, publicó la confirmación de un resultado experimental del año 2001. La predicción teórica de consenso del modelo estándar para la anomalía del momento magnético del muón calculada en el año 2020 se encuentra a 4.2 sigmas del resultado experimental. ¡Casi cinco sigmas! Para muchos físicos es la primera señal firme de nueva física más allá del modelo estándar.

Fuentes: Jorge Cham, PHD Comics https://physics.aps.org/articles/v14/47 y https://es.wikipedia.org/wiki/Muon.

[08:30] El muón es la única partícula fundamental que se observó en los rayos cósmicos antes de ser concebida por la mente de los físicos teóricos. El muón es una partícula indistinguible del electrón, salvo por su masa, unas 207 veces mayor. El muón es un partícula inestable que se desintegra en reposo en solo dos microsegundos en un electrón y un par de neutrinos. Igual que el electrón el muón se comporta como una carga eléctrica y como un pequeño imán (con un momento magnético asociado a su espín un medio).

Fuentes: Jorge Cham, PHD Comics https://physics.aps.org/articles/v14/47 y https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.141801.

[07:45] Igual que los políticos no quieren aparecer desnudos en los medios, las partículas en la Naturaleza no se pueden observar desnudas, solo se pueden observar revestidas por el vacío cuántico, rodeadas por infinidad de partículas virtuales. El vacío es una sustancia … que se puede polarizar. Toda partícula cargada polariza el vacío que la rodea; y el vacío polarizado apantalla su carga y su momento magnético. La teoría de Dirac para el electrón predice un momento magnético para la partícula desnuda de exactamente dos magnetones de Bohr, g = 2, por ello la anomalía del momento magnético se define como a = (g − 2)/2, y es nula para la partícula desnuda, a = 0. En los experimentos solo podemos medir la partícula revestida por el vacío, que presenta un momento magnético g mayor de dos y un pequeño valor para la anomalía a.

Fuentes: https://indico.uis.no/event/12/contributions/302/attachments/139/219/Valetov_EV_vConf21.pdf, https://kds.kek.jp/event/38279/contributions/192760/attachments/146064/181693/nio_FPUA2021.pdf, https://conference.ippp.dur.ac.uk/event/999/contributions/5220/attachments/4218/4977/Schreckenberger_Planck2021.pdf.

[06:45] En 1947 Kusch midió el momento magnético anómalo del electrón por primera vez (ae(EXP) = 0.001 19 ± 0.000 05). Y en 1948 Schwinger calculó una excelente predicción teórica (ae(QED, LO) = α/2π = 0.001 162): la anomalía del momento magnético es igual a la constante alfa de estructura fina dividida por dos pi (recuerda que 1/α = 137.035). El cálculo más preciso de la polarización del vacío electromagnético, que usa más de 13000 diagramas de Feynman en electrodinámica cuántica (QED), permite obtener en valor (ae(QED,2020) = 1 159 652 181.62 (23) × 10−12) que está en muy buen acuerdo con los experimentos más recientes (ae(EXP, 2020) = 1 159 652 180.73 (28) × 10−12). La diferencia es de solo 2.5 sigmas, … pero lo podemos hacer mejor, porque el vacío cuántico es una sustancia compuesta…

Fuentes: https://indico.fnal.gov/event/49544/contributions/220168/attachments/145811/185770/adriutti_UM.pdf y https://kds.kek.jp/event/38279/contributions/192760/attachments/146064/181693/nio_FPUA2021.pdf.

[06:00] Además de polarizar el vacío electromagnético, el electrón también polariza el vacío electrodébil y el vacío hadrónico (asociados a las interacciones débil y fuerte del modelo estándar). Al añadir su contribución obtenemos un acuerdo casi perfecto entre teoría (ae(EXP,2020) = 1 159 652 180.73 (28) × 10−12) y experimento (ae(α(Rb),2020) = 1 159 652 180.27 (09) × 10−12), con una diferencia de solo 1.6 sigmas, siendo la predicción más precisa de todo el modelo estándar. Eso sí, si usamos el último valor de la constante de estructura fina, medido en 2020 usando rubidio, porque dicho valor difiere en 5.4 sigmas del valor medido en 2018 usando cesio (en cuyo caso obtenemos (ae(α(Cs),2018) = 1 159 652 181.62 (23) × 10−12) y nadie sabe por qué. Por fortuna esta discrepancia no influye casi nada en el buen acuerdo entre la predicción del modelo estándar y el experimento para el momento magnético anómalo del electrón.

Fuentes: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.141801 y https://doi.org/10.1016/j.physrep.2020.07.006.

[05:00] El momento magnético anómalo del muón se midió por primera vez en 1957. Como ya he dicho, la última medida se publicó el pasado 7 de abril gracias al experimento Muon g−2 del Fermilab (aμ(EXP, 2021) = 1 165 920 61 (41) × 10−11). Se obtuvo un valor que se encuentra a 179 sigmas del valor predicho por el electromagnetismo (aμ(QED,2020) = 1 165 847 19 (01) × 10−11). ¿Por qué? Porque el vacío es una sustancia compuesta y para el muón es imprescindible tenerlo en cuenta (aμ(SM, 2020) = 1 165 918 10 (43) × 10−11); las correcciones del modelo estándar son más de 40 000 veces mayores para el muón que que para el electrón, porque están multiplicadas por el cociente entre las masas del muón y del electrón elevado al cuadrado, 𝛿𝑎μ(𝑆𝑀) = (mμ/me)² 𝛿𝑎e(𝑆𝑀).

Fuentes: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0550321313005828 y https://conference.ippp.dur.ac.uk/event/999/contributions/5220/attachments/4218/4977/Schreckenberger_Planck2021.pdf.

[04:15] La contribución del modelo estándar más relevante en el cálculo del momento magnético anómalo del muón es la contribución de la polarización del vacío  hadrónico (HVP = 𝒪(𝛼s)²), que es 45 veces mayor que la contribución del vacío electrodébil y 66 veces mayor que la otra contribución del vacío hadrónico, la llamada dispersión hadrónica de luz por luz (HLbL = 𝒪(𝛼s)³). El resultado teórico es gμ = 2 × (1 + 0.00116··· + 0.00000006951 ··· + 0.00000000105 ··· + 0.00000000154 ··· + ???). La polarización del vacío hadrónico es el término más difícil de calcular y el que tiene mayor incertidumbre, por lo que domina la incertidumbre del resultado final. Si en los próximos años la discrepancia de 4.2 sigmas supera las 5 sigmas y si además es confirmada por una medida independiente del experimento japonés J-Park empezará a tomar datos en 2025 se tratará de la señal más firme de física más allá del modelo estándar (que podría recibir el Premio Nobel sobre el año 2030). Por ello este resultado ha generado un tsunami de artículos de físicos teóricos, con casi 300 artículos que intentan explicar esta anomalía usando física más allá del modelo estándar: leptoquarks, un bosón Z-prima, partículas supersimétricas, etc.

Fuentes: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0550321313005828 y https://conference.ippp.dur.ac.uk/event/999/contributions/5220/attachments/4218/4977/Schreckenberger_Planck2021.pdf.

[02:50] La polarización del vacío hadrónico se puede calcular por dos métodos teóricas. En la predicción de consenso del modelo estándar para el momento magnético anómalo del muón se usó el método más preciso, que se basa en el teorema óptico (R-ratio): la polarización del vacío hadrónico se calcula a partir de datos experimentales de la producción de chorros de hadrones en colisionadores de leptones (tipo electrón-positrón). El otro método usa cromodinámica cuántica en el retículo (lattice QCD) mediante superordenadores. El cálculo requiere extrapolar el resultado de volumen finito a volumen infinito y estimar el límite continuo. Sabemos hacer ambas cosas y el pasado 7 de abril se publicó en la revista Nature la mejor estimación mediante superordenadores para la polarización del vacío hadrónico: el resultado reduce a solo 2.2 sigmas la anomalía con el experimento Muon g−2 del Fermilab. Si futuros estudios computacionales confirman este resultado, no necesitaremos nueva física más allá del modelo estándar.

Fuente: http://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~qft.web/2021/slides/kitahara-teppei.pdf.

[01:40] Me gustaría resaltar que hay muchas anomalías experimentales respeto a las predicciones en el modelo estándar que podrían apuntar a nueva física. En todas ellas el cálculo teórico requiere usar la cromodinámica cuántica (la interacción fuerte) en un régimen que no sabemos calcular con precisión. Puede que muchas de estas anomálias sean ficticias, debidas a que no hemos calculado de forma correcta la predicción teórica. Pero todos los físicos deseamos que no sea así y que algunas de estas anomalías sean la primera señal de nueva física más allá del modelo estándar.

Fuente: http://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/Nobel/.

[00:50] La animación que abre esta charla muestra la dinámica del vacío hadrónico simulado mediante superordenadores. El vacío cuántico es una sustancia compuesta de los 118 vacíos de campos cuánticos del modelo estándar. El estudio del vacío requiere conocer la física de las partículas con muy alta precisión. Como decía Feynman (1964): «No importa cuán bella sea tu teoría, no importa cuán inteligente seas. Si el resultado no está de acuerdo con el experimento, tu teoría está equivocada». Necesitamos nuevos experimentos y nuevos colisionadores de partículas que hagan hablar a la Naturaleza para que nos desvele todos sus secretos.

Recuerda que el vacío es un sustancia compuesta de 118 campos cuánticos: 90 campos fermiónicos (4 × 18 q + 4 × 3 ℓ + 2 × 3 ν) y 28 campos bosónicos (1 h + 2 γ+ 8 × 2 g + 3 × 3 WZ). Debe haber más campos (si los neutrinos son fermiones de Dirac, o si existe el gravitón), pero aún no han sido observados. El número 118 es fácil de recordar porque coincide con el número de elementos químicos que han sido observados (aunque la coincidencia no durará muchos años).



26 Comentarios

  1. Gracias por tus esfuerzos divulgadores en una materia tan compleja, no sabia que habias estado pachucho! parece que ya estas recuperado, me alegro muchísimo. En horabuena Francis!.

    1. Hay 118 campos y ninguno de ellos permite calcular la masa del electrón. Tampoco hay ningún campo para explicar porqué el muon adquiere una masa diferente a la del electrón, y eso que son partículas idénticas antes de adquirir masa. Eso sí hay un campo que permite medir la masa del electrón, otro que permite medir la carga del muon. También faltan los campos que permitan calcular las 29 constantes. Seguro que es una teoría física o matemática?

      1. Ivan, los campos son objetos reales, con estados tipo partícula y tipo vacío. Los campos no son una herramienta de cálculo, que se pueda usar para determinar propiedades de los campos (como la carga o la masa de sus estados tipo partícula). La masa del electrón y del muón depende del acoplamiento de sus campos con el vacío del campo de Higgs; en el modelo estándar el valor de estos acoplamientos (o masas) es accidental, resultado de la transición de fase asociada a la rotura de la simetría electrodébil y por tanto no calculable (como no se puede calcular la distancia de los planetas al Sol).

        1. La distancia de cada planeta al Sol es distinta y por lo tanto no calculable. Sin embargo, la masa de todos los electrones es la misma y por lo tanto debe ser calculable. Evidentemente, si la teoría se basa en la medición de la masa del electrón, nunca puede ser calculable. O dicho de otra forma, la teoría es incompleta.

          Decir que: “La masa del electrón y del muón depende del acoplamiento de sus campos con el vacío del campo de Higgs”;

          es lo mismo que:

          La masa del electrón y del muón depende del acoplamiento de las partículas con los angeles.

          En ningún caso puedo calcular el acoplamiento.

          1. Ivan, muchos físicos sueñan que algún día se podrá calcular el valor de la masa del electrón, es decir, del acoplamiento de Yukawa del campo de Higgs al campo del electrón a baja energía; pero siendo resultado de una transición de fase, la experiencia en ciencia de materiales y física del estado sólido apunta a que nunca podrá ser calculada con precisión.

            Recuerda que la masa cambia con la energía y que se suele llamar masa a la extrapolación a energía nula del valor observado a energía finita. Quizás en una teoría unificada futura se pueda interpretar este acoplamiento como resultado de la dinámica de un campo (es lo que pretende la teoría de cuerdas), con lo que se podría estudiar cómo evoluciona el acoplamiento de Yukawa para el electrón desde alta energía, sin rotura de simetría electrodébil, pero su resultado tras la rotura de simetría es muy dudoso que pueda ser calculado (así lo indica la experiencia con otras transiciones de fase que podemos estudiar en detalle en laboratorio).

            Por supuesto, espero estar equivocado y que se cumpla tu sueño y el de muchos físicos que siguen considerando la masa de las partículas como una propiedad fundamental (como se pensaba antes del nacimiento del modelo estándar), en lugar de como una propiedad accidental, como sugiere el hecho de que el modelo estándar es una teoría efectiva a baja energía.

  2. ¡¡Muy buena charla y enhorabuena por el premio!!
    Comentan que has estado mal de salud…y observando que no te quitas la mascarilla…Cuidate que hoy por hoy no nos podemos permitir el lujo de perder tu opinión ,de tan alto nivel , en la divulgación.

  3. Francis, tu charla genial como siempre. Espero que tengas razon y tengamos premio nobel para la decada de 2030 sobre este interesante asunto. Es imposible predecir el futuro, pero si tuvieras que apostar, qué calculo crees que acabara por ser el mas acertado? el que se publicó de consenso, o el de lattice QCD que se publico en Nature en abril?

    PS: Cuidate esperamos que estes mejor de salud

    1. Javier, que la primera vez que se calcula con buena precisión la HVP usando LQCD (aunque su precisión sea inferior a la del cálculo usando el R-ratio) resulte un valor que reduce la anomalía de 5.4 sigmas a tan solo 2.2 sigmas es una señal prometedora que apunta a que la anomalía es ficticia. Todavía no se entiende la razón de la tensión entre ambos métodos; si el valor correcto de HVP es el de LQCD, entonces hay alguna sutileza que no entendemos bien sobre la producción de chorros hadrónicos en los colisionadores leptónicos, que conlleva que el HVP calculado con el R-ratio sea incorrecto; pero se está trabajando en desvelar la razón y por lo que he leído no parece difícil de acomodar sin mucho fine tuning, en caso de que fuera necesario hacerlo.

      Por ello, si tuviera que apostar, lo haría por LQCD y que la anomalía es ficticia.

  4. ¿Los campos cuánticos se comprimen con la gravedad y se expanden en un espacio en plena expansión ?
    ¿Las partículas reaccionan de diferente manera con el vacío, con gravedad o sin ella ?
    ¿Esa substancia Tiene una densidad?

    Perdón si es que he preguntado demasiadas cosas.
    Gracias.

    1. Luis, (1) hasta donde sabemos (hay especulaciones más allá), el único acoplamiento entre los campos cuánticos y la gravitación es vía su tensor energía-momento (el llamado acoplamiento mínimo), por tanto, los campos cuánticos «no se comprimen, ni se expanden» debido a la expanción cósmica.

      (2) No se sabe cómo influye el vacío gravitacional sobre las partículas (su contribución diverge y no sabemos lidiar con dicha divergencia porque la gravitación es una teoría no renormalizable), pero en su caso influirá solo para partículas en la escala de energías de Planck, a baja energía no influye en nada medible.

      Y (3), hay muchas densidades en teoría cuántica de campos, pero supongo que te refieres a la densidad como masa por unidad de volumen, en cuyo caso el vacío tiene densidad cero (pues la masa se aplica a los estados de tipo partícula y el vacío es un estado sin partículas).

  5. Si en el cálculo de la anomalía del campo magnético, interviene el número indeterminado PI, siempre habrá incertidumbre, lo cual, no es indicio de nueva Física.-
    Y si sumamos la cantidad de cosas de todo tipo que pueden ocurrir durante un Yocto segundo……….

    Un cordial saludo

  6. Mi duda viene de la relación entre por ejemplo un agujero negro y una estrella que ha caído en él ; desde el momento que tu mismo afirmas que el AN es solo espacio curvado, quiere decir que la estrella cedió toda su materia, energía, campos etc etc al espacio tiempo, como una suerte de conversión, y que a su vez el espacio tiempo puede devolver la energía total de la estrella en múltiples formas … de alguna manera en esa conversión demuestra que se relacionan profundamente cuando son eventos de esta magnitud . por lo tanto el espacio tiempo sería una sustancia como cualquier campo cuántico por su comportamiento ; que más sustancia aquello que tiene la capacidad de curvarse ?.

    1. Alvar, no tenemos una teoría cuántica de la gravitación, luego no sabemos lo que pasa con un campo cuántico (una partícula) cuando se acerca a la singularidad de un agujero negro; lo que nos dice la teoría clásica de la gravitación (Einstein) es que la fuente de la gravitación es la energía del campo; por tanto, al acercarse a una singularidad, la partícula (un estado excitado del campo) decae a un estado de vacío (el estado de menor energía del campo). Así todas las partículas que entran en un agujero negro acaban decayendo a un estado de vacío (si quieres verlo así, se desexcitan y desaparecen) y su energía acaba transformada en energía gravitacional (curvatura del espaciotiempo, que desde fuera vemos como la «masa» del agujero negro, que crece). Así que todas las partículas de una estrella que acaban en el interior de un agujero negro se transforman en energía gravitacional, en curvatura.

      ¿El espaciotiempo es una sustancia? No lo sabemos, pues no tenemos una teoría cuántica de la gravitación. Sabemos que el espaciotiempo a nivel clásico se curva debido a la energía (de los campos de las partículas y del propio campo gravitacional). Pero no podemos decir que el espaciotiempo sea una sustancia, que tenga propiedades que podamos modificar. Por supuesto, si existieran los gravitones (que son partículas que se pueden polarizar) y el espaciotiempo estuviera hecho de gravitones (en una fase de la «materia gravitacional» aún no conocida), entonces el vacío gravitacional sería polarizable y el espaciotiempo sería una sustancia. Pero esto último, a día de hoy, solo es una especulación científica (razonable, por analogía con los campos cuánticos, pero más allá del conocimiento científico consensuado).

  7. Cuando dices 118 campos están incluidas las interacciones fundamentales ? Me lío con eso del campo electrón, el vacío electrón . Luego la interacción electromagnética y que a su vez el electrón esté acoplado al campo de Higgs y que este campo tiene una partícula y un vacío…..quereis volverme loco? Me imagino una teoría de unificación en que todos los vacíos son uno solo y podemos decir el vacío cuántico unificado .

    1. Drago, los campos asociados a una interacción fundamental son los campos bosónicos; los asociados a la «materia» son campos fermiónicos; en principio, no hay diferencia conceptual entre campo bosónico y campo fermiónico, son campos cuánticos en pie de igualdad (obviamente, el espín influye en las propiedades de las partículas del campo, pero en esencia es solo una propiedad del campo y no cambia su naturaleza ontológica).

      1. Francis, el hecho de que siempre deban surgir partículas del vacío debido a un principio de la física cuántica fue postulado primero por Heisenberg?

        1. Actynio, la idea de fluctuaciones de punto cero como «oscilaciones virtuales» es anterior a Heisenberg, aparece en un artículo de Bohr-Kramers-Slater (1924), fuente de inspiración de Heisenberg [https://doi.org/10.1111/j.1600-0498.1981.tb00644.x].

          En el contexto de las teorías cuánticas de campos (la entonces llamada mecánica cuántica relativista), la idea estaba en la teoría de Dirac (1928). Aunque el concepto de polarización del vacío no apareció hasta 1933 (en una carta de Bohr a Dirac) [http://www.scholarpedia.org/article/User:Riccardo_Guida/Proposed/Quantum_field_theory:_origins]. Pero la formulación actual apareció c. ~1949 y se afirmaba que solo era una herramienta de cálculo (epistemológica), sin realidad física, hasta que varios artículos en 1960-1963 reclamaron su realidad física (ontológica).

  8. Hola Francis,

    Te escribo por primera vez aunque hace años que te sigo.

    Lo hago en relación con el primer comentario que hace Iván, diciendo que «el electrón y el muón son partículas idénticas antes de adquirir masa». Me parece interesante la idea de que antes de la ruptura espontánea de simetría el electrón, el muón y el tau, al carecer de masa, son una única partícula, es decir hay un único leptón (análogamente: un único quark aunque con tres colores) y es el desdoblamiento másico por acoplamiento con el Higgs, el que produce las tres generaciones.
    ¿Qué opinas de ello?

    1. Manuel, el electrón, el muón y el tau corresponden a 4 x 3 = 12 campos cuánticos, tanto antes de la rotura de simetría electrodébil, cuando son campos asociados a 6 partículas y sus 6 antipartículas, como después de esta transición de fase, cuando acaban estando asociados a 3 partículas y sus 3 antipartículas. La idea que tienes en mente implicaría que la simetría leptónica fuera una simetría global exacta de la Naturaleza (así no habría diferencia alguna entre los leptones de las tres familias); sin embargo, el modelo estándar no describe de forma explícita esta simetría global y otras teorías más allá del modelo estándar, como la teoría de cuerdas, detestan la existencia de este tipo de simetrías globales (hay conjeturas, aunque no teoremas, que aseguran que no existen).

  9. Francis dice:
    «muchos físicos sueñan que algún día se podrá calcular el valor de la masa del electrón …»
    Pues no hace falta que sueñen, porque ya está calculada la masa del electrón con una precisión del 0,2% aproximadamente

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