Big bang birthday: Six mysteries of a cosmic bombshell

(Image: NASA/WMAP Science Team)

In 1964, a pair of engineers at Bell Labs in New Jersey tried to build a better antenna and ended up uncovering the origins of the universe. After ruling out city noise, nuclear bombs and pigeon poop, Arno Penzias and Robert Wilson argued that a strange radio hiss in their readings was the first confirmed signal of the cosmic microwave background (CMB). This relic glow emerged as a result of the big bang and now permeates the universe.

The discovery solidified big bang theory as our best explanation for cosmic origins, and Penzias and Wilson went on to net a Nobel prize. Now, 50 years later, the CMB (pictured above) has helped us figure out the universe's age, shape and components, as well as details about how it has evolved. But with almost every discovery, the CMB raised new and more vexing questions. Here are six of the biggest lingering mysteries sparked by studies of the big bang.

1. Why is the early universe so smooth? 

At first, maps of the CMB looked too good to be true. After the big bang, matter should have flown apart and formed random clumps. But the CMB showed that the universe was incredibly uniform, as if far-flung regions had somehow stayed in contact during the universe's early expansion.

In the 1980s, physicists came up with the idea that the universe went through a period shortly after the big bang when it ballooned exponentially – a theory now called inflation.

Recent maps of the CMB have borne out some predictions of this model, butnot all of them. Even if the theory is true, we still have no idea what caused inflation, when it started and why it stopped. We could have an answer soon. Inflation should have triggered ripples in space-time called gravitational waves, and signatures of these waves should show up in upcoming, higher-resolution maps of the CMB, says Avi Loeb of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts. "It's not easy by other means to develop gravitational waves of the type one expects," he says.

2. Was there anything before the big bang?

Inflation erased any record of what came before the rapid expansion, so we can't answer this question by looking at the sky. In addition, the universe started out so hot and dense that the equations we use to describe its expansion and evolution break down.

A theory that unites these equations with quantum mechanics could make mathematical predictions of what, if anything, existed before the big bang, but such a theory remains elusive. Of course, that has not prevented people from using the CMB to speculate about bouncing universes that cycle through endless bangs and crunches, or multiverses that bud off from a single original universe.

3. Could ancient life have emerged in the big bang's glow?

The CMB's light comes from superheated gas, or plasma, that filled the early universe. This matter cooled with time to give rise to stars and galaxies, and today space is too frigid to host life as we know it on worlds far from their stars. But temperature readings of the CMB hint that a mere 15 million years after the big bang, the glow would have been warm enough to make the whole universe one large life-friendly zone. This epoch would have lasted a few million years, enough time for microbes to emerge but not complex life, Loeb suggests.

4. What are dark matter and dark energy?

Astronomers already knew in 1964 that some parts of the universe had more matter than we could see: based on our best understanding of gravity, galaxies whip around in clusters and spin faster on their axes than their visible matter should allow them to without flying apart. The CMB showed us that this unseen dark matter makes up about 80 per cent of all matter in the universe. But we still don't know what the mysterious stuff is made of, or whether it will ever show itself in space-based experiments or underground detectors.

Also, supernova studies revealed in 1998 that the universe has not only been expanding since the big bang, but also flying apart at an accelerating rate. This effect is attributed to a strange force called dark energy, and the CMB revealed that it makes up 68 per cent of everything in the universe. Beyond that, dark energy remains one of the most mysterious forces in physics.

5. What is the universe's ultimate fate?

Studies of the CMB could help us trace dark energy's behaviour over time, ultimately telling us what might happen when the universe ends. If dark energy steadily increases in strength, then the universe may be doomed to tear itself apart in a big rip. If it increases and then decreases again, however, some structures could grow again from the ashes of a dying universe. And if dark energy holds steady at the rate we see today, the universe will expand forever and end up dark and cold.

6. Will the big bang become an untestable theory?

If a steady expansion continues long enough, a single wavelength of the CMB will be stretched until it is as large as the universe itself. That means any humans still around in a trillion years or so won't be able to detect the CMB at all, says Loeb. "The sense that we have of cosmological studies will be lost, because we won't be able to find any trace of the big bang on the sky," he says. "In the future, we will have a story of the big bang, and we won't be able to verify it. So will cosmology turn into a religion? At least for a trillion years, we won't have to worry about that."

For more big bang excitement, watch Wilson and Loeb speak during a 50th anniversary celebration at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics at 1930 EST today (0030 GMT 21 February). More info here, or simply watch it here.

22:23 20 February 2014 by Lisa Grossman

http://www.newscientist.com/

También la energía puede teletransportarse

Investigadores japoneses demuestran que, en contra de lo que se creía hasta ahora, es posible mover energía a grandes distancias a través de la teleportación cuántica.

Cuando se habla de teleportación, o teletransporte, los científicos suelen referirse a la posibilidad de trasladar instantáneamente determinadas propiedades de la materia de un lugar a otro. Ahora, un grupo de investigadores japoneses acaba de demostrar que, en contra de lo que se creía hasta el momento, es perfectamente posible mover también energía a muy largas distancias por medio de la teleportación cuántica.

No se trata de un concepto nuevo, pero siempre se había pensado que la cantidad de energía que puede ser transmitida de esta forma se disiparía tras recorrer una breve distancia. Sin embargo, el equipo de la Universidad de Tokohu dirigido por Masahiro Hotta ha demostrado que la teleportación cuántica de energía puede funcionar, sin pérdidas, incluso a distancias muy largas. El equipo cree que su idea puede demostrarse en un dispositivo semiconductor y, aún más, que un proceso similar a la teleportación de energía podría haber ocurrido de forma natural al principio de la existencia del Universo.

La idea de la teleportación cuántica fue propuesta por primera vez en 1992 por el científico de IBM Charles Bennett. Se basaba en la idea de que dos hipotéticos individuos, llamados Alice y Bob, eran capaces de “teletransportar” un estado cuántico entre uno y otro. Según el esquema tradicional, Alice puede enviar a Bob información sobre un estado cuántico determinado, de forma que Bob sea capaz de roconstruir una copia perfecta de ese estado. Para hacerlo, ambos intercambian información clásica al mismo tiempo que comparten parejas de partículas que están entrelazadas cuánticamente. El entrelazamiento cuántico es una extraña propiedad de la materia que permite que dos partículas entrelazadas “conozcan” de forma instantánea cuál es el estado de la otra, sin importar la distancia que las separe. Esta especie de comunicación instantánea se produce tanto si las dos partículas están en la misma habitación o en extremos opuestos del Universo. Hasta ahora, y aprovechando ese principio, científicos de todo el mundo han experimentado con la “teleportación cuántica” de fotones y otras partículas, llegando a cubrir distancias de más de cien kilómetros.

Sin embargo, y a pesar de que la teleportación cuántica no proporciona medio alguno para intercambiar energía, ya en 2008 Masahiro Hotta anunció una forma en que también la energía podría teletransportarse. En el esquema de Hotta, Alice enviaría a Bob la información que necesita para que éste extraiga energía del vacío. Dicha extracción es teóricamente posible, ya que en la teoría cuántica de campos el vacío no es tal. De hecho, está lleno de energía, en forma de partículas virtuales que burbujean contínuamente, apareciendo y desapareciendo a cada instante.

La idea de Hotta parte del hecho de que, igual que los pares de partículas, también los puntos cercanos entre sí del vacío cuántico están entrelazados. Lo cual significa que si Alice y Bob están cerca el uno del otro, entonces Alice debería ser capaz de tomar una medida de su campo local y usar el resultado de esa medida para obtener información acerca del campo local de Bob. Si entonces Alice pasa la información a Bob a través de un canal clásico (por ejemplo, llamándole por teléfono), Bob podría usar esa información para extraer energía de su campo local. Dicha energía sería siempre menor de la que gastó Alice para tomar las medidas iniciales. Desde el punto de vista de la Termodinámica, esto significa que Alice puede “teleportar” energía a Bob bajo la forma de la información que necesita para extraer energía del vacío cuántico en el que se encuentra.

Por desgracia, el grado de entrelazamiento entre los campos locales en los que se encuentran Alice y Bob decae muy rápidamente a medida que aumenta la distancia entre ellos. De hecho, la fracción de la energía de entrada de Alice que Bob puede recuperar es inversamente proporcional a la sexta potencia de la distancia que media entre los dos. De modo que, en la práctica, sería extremadamente difícil intercambiar una cantidad significativa de energía a grandes distancias.

Estados comprimidos

Pero en su último trabajo, recién aparecido en ArXiv, Hotta y sus colegas de la Universidad de Tohoku proponen un modo de evitar esta limitación, utilizando lo que llaman “estados de vacío comprimidos”. Dichos estados son idénticos a los estados del vacío que se pueden encontrar en cualquier parte, excepto para la región que está justo entre Alice y Bob, donde la densidad de energía es mucho mayor. El resultado es que el entrelazamiento puede mantenerse incluso a distancias mucho mayores. En efecto, si se elige el “estado de vacío comprimido” adecuado, los estados cuánticos de Alice y Bob podrían permanecer entrelazados sin importar cual sea la distancia que les separa.

Los investigadores proponen que estos “estados comprimidos” pueden ser creados en laboratorio por medio de la súbita expansión de la logitud de la trayectoria recorrida por un flujo de electrones en un campo Hall cuántico. El efecto Hall cuántico puede observarse en capas ultrafinas de materiales semiconductores sometidas a un intenso campo magnético. Los electrones en un estado Hall cuántico fluyen sin obstáculos en una dirección alrededor del borde del semiconductor y forman un “canal de correlación cuántico” en cuyo interior es posible el entrelazamiento. Hotta trabaja actualmente con su equipo para crear este dispositivo en su laboratorio.

Hotta y sus colegas sostienen también que estos “estados comprimidos” tuvieron lugar de forma natural en los primeros momentos de la historia del Universo, durante el periódo de rápida expansión que la Ciencia conoce como “inflación” y durante el cual el Universo multiplicó su tamaño en un tiempo muy breve. La duda está ahora en saber si es posible aplicar la inflación al desarrollo de dispositivos electrónicos como el que Hotta quiere construir. Lo veremos dentro de poco, cuando el investigador publique sus próximos trabajos…

http://abcblogs.abc.es/

Los quarks se mueven al otro lado del espejo

Nueva medida de la violación de la paridad en la dispersión electrón-quark

Un equipo internacional de científicos en el Jefferson Lab de EE UU ha registrado con una precisión sin precedentes cómo se rompe la simetría especular cuando se bombardean quarks con electrones diestros y zurdos. El modelo estándar de la física ya predecía esta pequeña violación de la paridad –así se llama– mientras actúa la fuerza débil entre las partículas.

Hall A del Jefferson Lab, donde se ha desarrollado el experimento de dispersión electrón-quark. / U.S. Government Work


Miembros de una colaboración científica del Jefferson Lab de EE UU han medido una propiedad intrínseca de los quarks con una precisión cinco veces superior a la conseguida hasta ahora, hace casi 40 años.
Se trata de un raro caso de ruptura de la simetría del espejo, lo que los científicos denominan violación CP o violación de la paridad, cuando se realiza un experimento de dispersión electrón-quark. Los detalles técnicos se publican en la revista Nature.

El resultado se ajusta a lo que predice el modelo estándar de la física, una teoría que describe las partículas subatómicas y sus interacciones, salvo la gravedad; y confirma una propiedad concreta: la simetría especular de quarks.

En principio las características de un objeto se mantienen aunque se voltee como si fuera su imagen en el espejo. En el caso de los quarks, tres de las cuatro fuerzas que intervienen en sus interacciones –la gravedad, el electromagnetismo y la nuclear fuerte– presentan esta simetría especular; pero la cuarta, la fuerza débil, no.
Esto significa que las características intrínsecas que determinan cómo interactúan los quarks a través de la fuerza débil –los acoplamientos débiles– son diferentes de la carga eléctrica de la fuerza electromagnética, la carga de ‘color’ de la fuerza fuerte o la masa de la gravedad.
Los investigadores han registrado la ruptura de la simetría especular de quarks a través de un proceso de dispersión inelástica profunda, una forma de analizar el interior de los protones y neutrones mediante electrones. Para ello se envió un haz de 6,067 GeV de electrones hacia núcleos de deuterio (isotopo del hidrógeno con un neutrón y un protón).
"En una dispersión inelástica profunda, el impulso realizado por el electrón va dentro del nucleón (protón o neutrón) y lo rompe", explica Xiaochao Zheng , profesor en la Universidad de Virginia y portavoz de la colaboración científica.
Para producir el efecto de visualización de los quarks a través de un espejo, la mitad de los electrones enviados se programaron para girar en su trayecto hacia la derecha (diestros) y la otra mitad hacia la izquierda (zurdos).
Millones de interacciones en dos meses
Durante dos meses unos 170.000 millones de electrones interactuaron con los quarks a través tanto de la fuerza débil como la electromagnética y los datos se registraron de forma independiente en dos espectrómetros de alta resolución.
El equipo encontró una asimetría o diferencia en el número de electrones que interactuaban con el objetivo, según se los hiciera girar en una dirección u otra. La fuerza débil entre el electrón y los quarks está detrás del fenómeno.
La fuerza débil experimentada por quarks tiene dos componentes. Uno es análogo a la carga eléctrica y se ha medido bien en experimentos anteriores, pero el otro está relacionado con el spin o giro del quark y se ha aislado por primera vez en el experimento del Jefferson Lab.
En concreto, los resultados conducen a una combinación de acoplamiento débil electrón- quark formulada como  2C_2u - C_2d (donde u son los quarks up o arriba y d los down o abajo), que es cinco veces más precisa que la determinada con anterioridad.
Este acoplamiento particular describe cuanto de la ruptura en la simetría especular en las interacciones electrón-quark se origina por las preferencias de giro de los quarks durante la interacción débil. El último experimento que registró esto se desarrolló en el actual SLAC National Accelerator Laboratory (EE UU) hace más de 70 años.

El nuevo resultado es el primero que muestra que esta combinación no es cero, según lo predicho por el modelo estándar, pero también establece nuevos límites para ir más allá. Estos datos complementan, y en ciertos aspectos superan, a los que ofrecen los colisionadores de partículas, como el LHC del CERN.

1 / 1

http://www.agenciasinc.es