Podcast CB SyR 436: Evento Scholz, papiro herculano, simetría CPT, agujeros negros primordiales y semiconductor de van der Waals

Por Francisco R. Villatoro, el 4 noviembre, 2023. Categoría(s): Astronomía • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Podcast Coffee Break: Señal y Ruido • Recomendación • Science ✎ 4

He participado en el episodio 436 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [Acast AAcast BiVoox AiVoox BiTunes A y iTunes B], titulado “Ep436: Scholz; Vesubio; Egipto; Simetría CPT; Agujeros Negros Primordiales; Semiconductor», 02 nov 2023. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: Cara A: La Tierra, bajo ataque por la estrella de Scholz (11:00). Cara B: Concedido el primero de los premios del Vesubius Challenge (papiros de Herculano) (00:10). Un antiguo cementerio egipcio de hace 3,500 años (16:45). Violación de simetría CPT en teorías con invariancia Lorentz (32:10). Las masas de los agujeros negros primordiales (1:02:10). Un semiconductor cuántico muy rápido (1:39:10). Imagen de portada realizada por Héctor con Midjourney. Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso».

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Descargar el episodio 436 cara A en Acast.

Descargar el episodio 436 cara B en Acast.

Como muestra el vídeo participamos por videoconferencia Héctor Socas Navarro @HSocasNavarro (@pCoffeeBreak), María Ribes Lafoz @Neferchitty, Eloy Peña-Asensio @Eloy_PeAs (solo cara A), José Edelstein @JoseEdelstein, Gastón Giribet @GastonGiribet, y Francis Villatoro @eMuleNews.

Tras su presentación, Héctor, junto a Eloy, destaca su reciente artículo en la revista Icarus sobre el bólido FH1 observado el 23 de octubre de 2022 en Finlandia. FH1 era un meteoro rozador (que pasa justo por encima del horizonte) de tamaño entre 4 y 8 centímetros en una órbita retrógrada hiperbólica casi en el plano de la eclíptica. Su órbita tiene un exceso de velocidad estimado de ∼0.7 km/s con respecto al baricentro del Sistema Solar. Podría ser un objeto interestelar, en cuyo caso pasó cerca del sistema estelar binario de Scholz (WISE J072003.20-084651.2). Pero también podría ser un objeto de la nube de Oort.

El artículo también analiza los 17 bólidos detectados en la base de datos CNEOS, entre ellos 6 que parecen ser hiperbólicos, como CNEOS 2014 (IM1), que Héctor sugiere como señal de la presencia del Planeta 9, y CNEOS 2017 (IM2), descubierto por Eloy et al. y redescubierto por Loeb et al. Los seis tienen inclinaciones orbitales bajas < 25 ° (para un ángulo aleatorio se espera una distribución centrada en 45 °); además, su origen parece estar situado en la constelación de Géminis (algo que tiene una probabilidad del 6.9 % de coincidencia azarosa); FH1 también tiene origen en esta constelación. Que este área del cielo sea el origen de varios cuerpos con órbita hiperbólica sugiere que la razón es el último encuentro cercano del Sol con una estrella, el paso cercano con el sistema binario de Scholz hace unos 70 000 años (con una incertidumbre entre el 5 % y el 10 %).

La hipótesis de que la estrella Scholz «nos está bombardeando con meteoros» es muy sugerente. Pero, por supuesto, no se puede descartar que sean objetos del propio Sistema Solar perturbados por algún cuerpo que forme parte de la nube de Oort. El artículo es Eloy Peña-Asensio, …, Hector Socas-Navarro, …, Albert Rimola, «Oort cloud perturbations as a source of hyperbolic Earth impactors,» Icarus (accepted), arXiv:2310.12673 [astro-ph.EP] (19 Oct 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.12673.

María nos da la noticia de que se ha concedido el primero de los premios del Vesubius Challenge (por descifrar los papiros de Herculano, guardados en la biblioteca de una villa privada cerca de Pompeya). Lo ha logrado un estudiante de informática de 21 años, Luke Farritor, que ha recibido el primer premio de 40 000 dólares a la primera palabra (al menos 10 letras) en un área de 4 cm² del pergamino. Más tarde, Youssef Nader, descubrió de forma independiente las mismas letras, ganando el segundo premio de 10 000 dólares. Ambos se basaron en el trabajo previo de Casey Handmer, que también recibió 10 000 dólares.

La primera palabra leída en un papiro de Herculano es la palabra (en griego antiguo) πορφυ̣ρ̣ας̣ que puede ser el nombre πορφύ̣ρ̣ας̣ (púrpura como color o como tinte) o el adjetivo πορφυ̣ρ̣ᾶς̣ (de color púrpura). También podría estar escrito πορφύ̣ρ̣α ς̣κ  (o πορφυ̣ρ̣ᾶ ς̣κ), aunque sin más letras no es posible saber si es una kappa final o una kappa inicial de la siguiente palabra. La dificultad está en encontrar letras en las tomografías 3D con resoluciones de hasta 4 µm de los rollos de Herculano. En marzo de 2023 se lanzó el Vesubius Challenge con un premio de 700 000 dólares a quien desvele el contenido completo de los rollos. Todo indica que alguien, algún día, ganará dicho galardón. Más información en «First word discovered in unopened Herculaneum scroll by 21yo computer science student,» Scroll Prize, 12 Oct 2023.

Nos cuenta María que se ha descubierto un antiguo cementerio egipcio de hace 3500 años: con un raro papiro del «Libro de los Muertos» y múltiples momias. El cementerio está en Tuna al-Gebel, en el centro de Egipto, datando del Imperio Nuevo (entre 1550 y 1070 a.C.). El papiro del «Libro de los Muertos» hallado en el cementerio mide entre 13 y 15 metros de largo. Contiene textos que sirvieron para varios propósitos, incluyendo ayudar a los muertos a navegar por el inframundo. No está claro qué textos exactos contiene ni con quién fue enterrado. No se han publicado fotografías del papiro del «Libro de los Muertos». Habrá que esperar a una publicación que lo analice en detalle. Más información en Owen Jarus, «Ancient Egyptian cemetery holds rare ‘Book of the Dead’ papyrus and mummies,» Live Science, 25 Oct 2023.

Jose nos comenta de forma excelsa un artículo de Luis Alvarez-Gaumé sobre la violación de simetría CPT en teorías cuánticas de campos con invariancia Lorentz. Este teorema asegura que las partículas y las antipartículas tienen la misma masa, vida media (anchura del pico de desintegración) y momento magnético, aunque cargas gauge opuestas. La demostración física del teorema CPT de Pauli, entre otros, no genera dudas entre los físicos, pero no es rigurosa para los matemáticos. Una demostración matemática del teorema CPT requiere usar una formulación rigurosa de la teoría cuántica de campos (como la axiomática de Wightman); por desgracia, el modelo estándar está más allá de dicha axiomática (no sabemos cómo axiomatizar los campos gauge no abelianos; hay un millón de dólares de un Premio del Milenio para quien lo logre). Ningún físico espera que el modelo estándar incumpla el teorema CPT. Sin embargo, algunos físicos han considerado la posibilidad de que la Naturaleza muestre fenómenos que incumplan dicho teorema.

El nuevo artículo considera dos posibles incumplimientos del teorema CPT en teorías con invarianza Lorentz (que ya habían sido estudiados en el pasado) basadas en una no-localidad temporal, que relaciona lo que pasa en el momento actual y en un momento pasado (dentro del cono causal actual), pero cumpliendo la invarianza relativista de la teoría. Por un lado, se considera que el término no local temporal se introduzca en la interacción entre bosones y fermiones (que conserva la simetría CP, pero incumple la simetría T); esto permite que la masa de partícula y antipartícula sean iguales, pero que sus vidas medias y sus momentos magnéticos sean diferentes. Y, por otro lado, se considera la no localidad temporal en un término de masa de tipo Yukawa; esto permite mantener una igualdad de vidas medias y momentos magnéticos, pero permite que las masas de partícula y antipartícula sean diferentes.

Lo que sugieren los autores es que hay que explorar la Naturaleza en busca de este tipo de fenómenos (que hasta ahora no han sido observados y que si existen serán efectos muy pequeños, luego muy difíciles de observar). Finalmente, en el artículo se muestra que la relación espín-estadística (los bosones de espín entero conmutan y los fermiones de espín semientero anticonmutan) se mantiene con la introducción de la nueva localidad temporal que incumplimiento del teorema CPT.

Para la mayoría de los físicos este tipo de estudios son poco relevantes, ya que no se sabe cuantizar de  forma adecuada las teorías no locales (en la cuantización canónica no se puede definir un momento lineal canónico adecuado). Se debe recurrir a cuantizaciones basadas en la integral de camino que no tienen formulación rigurosa conocida. Además, Jose sugiere, al hilo de una pregunta de Gastón, que hay que estudiar con más detalle estos términos no locales temporales, pues podrían introducir efectos no causales perniciosos. Por ello este tipo de trabajos solo tienen interés académico. El artículo es Luis Álvarez-Gaumé, Moshe M. Chaichian, …, Anca Tureanu, «Reciprocal of the CPT theorem,» arXiv:2310.16008 [hep-th] (24 Oct 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.16008.

Nos cuenta Gastón un artículo sobre el espectro de masas de los agujeros negros primordiales. Destaca este artículo porque uno de los autores, Matt Kleban, es amigo suyo (la otra autora, Cameron Norton es estudiante de doctorado de Kleban). Estos agujeros negros se producen por el colapso de burbujas que crecen durante la primera mitad del periodo de la inflación cósmica. En este artículo se considera un modelo inflacionario con dos campos inflatón, lo que permite que el espectro de masas de estos objetos sea casi monocromático. En concreto, se predicen masas similares a las de los asteroides, entre 1017 y 1022 gramos (menos del 10 % de la masa de un asteroide como Ceres), con radios entre 15 pm (picómetros) y 15 nm (nanómetros).

La ventaja de este rango de masas es que se encuentra en una ventana aún no excluida por los estudios astrofísicos que buscan agujeros negros primordiales. Estos objetos (de tipo MACHOs) podrían explicar el 100 % de la materia oscura. Un artículo interesante, aunque con un modelo un poco forzado, en mi opinión. El artículo es Matthew Kleban, Cameron E. Norton, «Monochromatic Mass Spectrum of Primordial Black Holes,» arXiv:2310.09898 [hep-th] (15 Oct 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.09898. Un artículo similar, pero con un solo campo inflatón es Albert Escrivà, Vicente Atal, Jaume Garriga, «Formation of trapped vacuum bubbles during inflation, and consequences for PBH scenarios,» arXiv:2306.09990 [astro-ph.CO] (16 Jun 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.09990. La figura de exclusión con la ventana aún abierta es de Hiroko Niikura, Masahiro Takada, …, Masashi Chiba, «Microlensing constraints on primordial black holes with Subaru/HSC Andromeda observations,» Nature Astronomy 3: 524-534 (2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41550-019-0723-1.

 

Me toca comentar un artículo publicado en Science sobre un semiconductor cuántico con excitones que se propagan de forma balística. Los excitones (pares electrón-hueco) en un semiconductor se suelen propagar de forma difusa. Se ha observado la formación de excitones–polarones acústicos (os excitones se acoplan a fonones acústicos, es decir, de baja frecuencia, en la red cristalina) en el semiconductor de van der Waals Re6Se8Cl2 (dicloruro y octaseleniuro de hexarrenio). Estos excitones-polarones se propagan de forma balística durante un nanosegundo a lo largo de varios micrómetros a temperatura ambiente; se alcanza una velocidad de 5.5 μm/ns, que es órdenes de magnitud mayores que en otros semiconductores de van der Waals como WSe2, incluso mayor que la del silicio. Se propone que son las bandas electrónicas cuasiplanas y el fuerte acoplamiento excitón-fonón acústico los responsables de las propiedades de transporte observadas (lo que es contraintuitivo).

En los semiconductores a temperatura ambiente, los portadores (electrones y huecos) y los excitones (pares electrón-hueco) se propagan de forma balística en escalas nanométricas durante femtosegundos. En aplicaciones electrónicas (transistores balísticos) y fotovoltaicas (fisión de excitones) sería conveniente lograr mayores distancias y mayor duración. Se ha propuesto el uso de materiales de van der Waals (formados por capas bidimensionales superpuestas). Re6Se8Cl2 es un semiconductor con una banda prohibida indirecta de 1.6 eV y una energía de formación de excitones de ~100 meV. Está formado por octaedros de Re6 encerrados en cubos de Se8; cada Re6Se8 se une de forma covalente a cuatro vecinos para formar una red pseudocuadrada bidimensional (2D) cubierta por átomos de Cl en posiciones apicales. Las capas de Re6Se8Cl2 se apilan para crear un cristal de van der Waals (con acoplamiento electrónico débil entre capas), que se puede exfoliar en monocapas.

La estructura de bandas de este cristal de van der Waals muestra bandas casi planas a temperatura ambiente. En combinación con un acoplamiento fuerte a los fonones acústicos conducen a la formación de excitones–polarones acústicos. directas de la propagación de los polarones, revelamos que están protegidos de la dispersión de la red, lo que conduce a un transporte cuasi balístico a lo largo de varios micrómetros a temperatura ambiente, actualmente limitado solo por el tamaño del cristal. Nuestras observaciones desafían la noción común de que se requiere un fuerte acoplamiento electrónico para el transporte de larga distancia.

Se ha usado una técnica de imagen para observar el transporte de los excitones en Re6Se8Cl2 monocristalino con microscopía de dispersión estroboscópica ultrarrápida (stroboSCAT), que se basa en observar los cambios del índice de refracción inducidos por el polarón. En las imágenes se observa un contraste entre oscuro y brillante conforme el excitón desnudo se vuelve un excitón-polarón.  En las imágenes se observa cómo se propaga varios micrómetros hasta el borde de la imagen en menos de un nanosegundo. Este transporte es muy rápido y de largo alcance comparado con otros materiales semiconductores.

Los autores han comentado en medios que este transporte tan rápido podría llegar a alcanzar aplicaciones en electrónica a frecuencias mucho más altas que los gigahercios (aunque yo tengo serias dudas sobre su utilidad en este campo). En mi opinión es más plausible su aplicación en paneles fotovoltaicos; aún así, el nuevo avance es en ciencia básica y las potenciales aplicaciones tardarán mucho en llegar. El artículo es Jakhangirkhodja A. Tulyagankhodjaev, Petra Shih, …, Milan Delor, «Room-temperature wavelike exciton transport in a van der Waals superatomic semiconductor,» Science 382: 438-442 (26 Oct 2023), doi: https://doi.org/10.1126/science.adf2698, arXiv:2306.07808 [cond-mat.mtrl-sci] (13 Jun 2023); más información divulgativa en Raúl Limón, «Un semiconductor cuántico hallado por casualidad bate el récord de velocidad: hasta un millón de veces más rápido,» El País, 26 Oct 2023.

Hoy nos hemos pasado de tiempo. Las Señales de las Oyentes se acumulan para la semana próxima. ¡Que disfrutes del podcast!



4 Comentarios

  1. Que la violación o no violación de la simetría cpt no efecte al teorema spin-estadística me parece un dato fascinante (habría que comprobar su veracidad). Definir que quiere decir «violar» o «no violar» dicha simetría no es trivial, existen violaciones aparentes pero no reales al realizar análisis más profundos, determinar con precisión arbitraria cuando una teoría viola o no cpt es todo un arte.

    1. Hola Francis.
      Me parece interesantisimo el nuevo semiconductor.
      Segun mi mentalidad practica, espero que sea algo que se puede medir, reproducir y utilizar.
      Cordiales saludos.

  2. Hola, pues los veo más de Majorana, de
    lo contrario sería mucho más difícil
    ciertas cosas, pero soy un lego en esto.
    Estaré muy atento a futuro artículo y podcast.

    Un saludo y gracias.

  3. ¿ Como funciona un semiconductor de van der Waals, a diferencia de uno de silicio o germanio, sp 3, tridimensional, con imprezas aceptado ras y donadores; o de tipo CMOS, como la lonsdaleita o diamante hexagonal ? ¿ Podria ser láminas de grafito plano sp 2 o de fósforo negro, de anillo corrugados ?

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