Turbulencia cuántica, otra puerta hacia la nueva Física

Visto por el mismo Leonardo da Vinci, este raro fenómeno puede explicar desde la eficiencia de un motor a reacción hasta las propiedades de las galaxias.

El reciente descubrimiento del bosón de Higgs ha logrado confirmar las teorías existentes sobre el origen de la masa y, gracias a eso, también una potencial explicación a otros misterios de la Física.

Sin embargo, y más allá del Higgs, los científicos estudian continuamente otras fuerzas y fenómenos, mucho menos comprendidos pero que también pueden arrojar luz sobre cuestiones aún no resueltas. Entre ellas se encuentra la turbulencia cuántica, escribe Katepalli Sreenivasan, profesor de la Universidad de Nueva York, en un número especial de la revistaProceedings de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

El análisis de Sreenivasan, escrito junto a Carlo Barenghi, de la Universidad de Newcastle y Ladislav Skrbek, de la Universidad Charles de Praga, examina la trascendencia y los potenciales de este raro fenómeno.

La turbulencia cuántica es el movimiento caótico que experimentan los fluidos a nivel subatómico y a temperaturas cercanas al cero.

Las observadores de las turbulencias se remontan muy atrás en el tiempo, hasta llegar al mismísimo Leonardo da Vinci, que fue de los primeros en estudiar ese complejo estado de movimiento de los fluidos. El genio del Renacimiento observó que el agua que cae en un estanque crea remolinos de movimiento, y dedujo a partir de ahí que el los movimientos del agua son capaces de dar forma a un paisaje.

Un reto continuo

Hoy en día, los científicos estudian “estanques” mucho más grandes, el universo e incluso más allá, pero sus investigaciones siguen centrándose en los mismos principios básicos de este fenómeno.

Su importancia es más que evidente en nuestras vidas. Por ejemplo, la eficiencia de los motores de reacción depende de la turbulencia, pero también otros fenómenos mucho más lejanos, como la generación de los campos magnéticos de las galaxias.

Sin embargo, y a pesar de lo cotidiano, la mayoría de estos trabajos siguen sin poder ofrecer una explicación completa del fenómeno. Según escriben los autores, “la turbulencia sigue suponiendo para los físicos, los matemáticos y los ingenieros un reto continuo”.

El artículo de PNAS se centra en una forma especial de turbulencia, la turbulencia cuántica, que aparece en los fluidos cuánticos. Estos líquidos se diferencian de los fluidos normales en algunos aspectos fundamentales, además de su extraordinaria “vitalidad” a temperaturas cercanas a cero. Por un lado, en efecto, pueden fluir libremente porque carecen de viscosidad, cuya resistencia dificulta el flujo de un líquido. Por otro, su rotación se limita a las líneas de vórtice, en marcado contraste con los remolinos de los fluidos ordinarios, que varían en tamaño, forma y resistencia.

En su artículo, los investigadores describen las propiedades básicas de la turbulencia cuántica y consideran sus diferencias con la turbulencia clásica. “Nuestro objetivo -escriben- es vincular a los artículos de este número especial y proporcionar una perspectiva del futuro desarrollo de una materia que contiene aspectos de la mecánica de fluidos, la física atómica, la materia condensada y la física de bajas temperaturas. Los próximos estudios experimentales de la turbulencia cuántica explorarán las desconocidas condiciones físicas que la naturaleza impone a temperaturas muchos órdenes de magnitud más bajas, revelando fenómenos aún no conocidos por la física”.

Fuente:http://abcblogs.abc.es/nieves/

Cousin of Earth

It’s the brass ring that teams of astronomers from hither to yon have tried to grab: Discovering a planet that sports an environment similar to our own.  Finding Earth’s cousin.

And now, a team of researchers may have done it.  

Tidally locked planet around an M-star. Image credit: Seth Shostak

This should give you something to gabble about at your next dinner soiree because, despite how much you treasure your home world – how much you cherish its postcard vistas and remarkable biota – we now have good reason to say, “special yes, unique no.”  Other planets might be just as livable as ours.

This new kid on the block, found using NASA’s Kepler space telescope, spins around a star labeled Kepler-186: a dim bulb of a sun (technically, a red dwarf) that is 490 light-years away.  This stellar runt was already known to have four planets, but they are all snuggled up too close for any life we can envision – hotter than Katy Perry, but deader.

The newly discovered world, imaginatively named Kepler-186f, is very nearly Earth-size – perhaps ten percent larger.  It’s also in a wide orbit, at least compared to its four siblings, with a “year” that lasts 130 days.

You can work out what that means if you did well in your sophomore astronomy course.  But in case you didn’t, here’s the bottom line.  Assuming there’s an atmosphere swaddling Kepler-186f, then the surface temperatures would generally be above freezing and below boiling.  There could be liquid oceans.  And liquid water is any astrobiologist’s favorite tipoff that life might be present.

But wait a minute: Haven’t we already found tons of worlds around other stars?

Indeed, we have.  Unless you’ve been comatose since birth, you’re aware that planet discoveries are frequently in the news.  But that situation is relatively new.  Serious experiments to find worlds around other suns were attempted as early as the 1940s, but these efforts were akin to wildcatting in Texas: a downbeat story of many dry wells.  Then in 1995, two Swiss astronomers who weren’t even hunting for planets tripped across a hulking world orbiting the relatively nearby star 51 Pegasi.  That discovery let loose a gusher, and recent results from the NASA Kepler telescope have brought the tally of known-and-confirmed exoplanets to nearly 1,800.  That’s a lot of planet pleasure.

But having a lot of planets is like having a lot of recipes.  What you really care about are the best ones.  And while there are roughly twenty exoplanets found so far in what’s called the “habitable zone” of their home star – the orbital range where they’re neither too hot nor too cold for liquid water – they aren’t necessarily earthly relatives.  Most are substantially bigger than our planet, and are called Super Earths.  

Alas, Super Earths might not be so super for biology.  While no one knows for sure, planets that are more than 50 percent larger than ours might not be of the solid, rocky type that we figure is best for complex life. They might be stormy gas balls, like Jupiter and Saturn.

“Kepler-186f is the first definitive Earth-sized planet in the habitable zone around any star,” explains Elisa Quintana, the first author on the paper announcing the discovery, and a colleague of mine here at the SETI Institute.  

Thomas Barclay, one of Quintana’s co-authors, adds that “it’s almost impossible for this not to be a solid planet.  So now we know four rocky worlds with periods of hundreds of days: Venus, Earth, Mars, and … Kepler 186f.”

OK, so as a lottery ticket that might deliver on the big payoff – a life-bearing world – how good is Kepler-186f?  Can we swing some other telescopes in its direction and actually verify that it has an atmosphere, maybe loaded up with water vapor?

Quintana is doubtful.  “This star is too dim for follow-up surveys, even with large next-generation telescopes.  But it does show you can form Earth-size planets in the habitable zone.”

Of course, at nearly 500 light-years, we’re not about to fire up our rockets and send explorers to check out whatever fauna and flora might be crusting the surface of Kepler-186f.  But you can bet that as soon as possible, astronomers will try to find other, closer siblings to this world, and examine them for the spectral signatures of life.  And meanwhile, the SETI Institute is continuing its radio reconnaissance of Kepler-186f, examining a wide swath of microwave frequencies looking for alien transmissions.  So far, the inhabitants – if there are any – are mum.

Nonetheless, finding Kepler-186f has already been a trail blazing event.  It’s a proof of concept, a discovery of the tip of (possibly) a very big iceberg.

And this much is for sure: This planet will forever be inscribed in the history books as the first world discovered beyond our own where we – and possibly other living things – might feel comfortable.

Source:http://www.seti.org/

Un planeta casi gemelo de la Tierra que puede albergar agua y vida

• El telescopio 'Kepler' de la NASA detecta un planeta rocoso fuera de nuestro Sistema Solar con un tamaño parecido al nuestro y situado en la zona habitable de su estrella

• El astro que orbita es una enana roja, mucho más fría y pequeña que el Sol

Recreación artística del planeta Kepler-186f y de la estrella enana que orbita. NASA/SETI INSTITUTE/JPL-CALTECH

TERESA GUERREROMadrid

Actualizado: 17/04/2014 20:01 horas

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En cuanto ha tenido a su disposición la tecnología necesaria para observar el cosmos más allá de nuestro Sistema Solar, el hombre ha demostrado lo que durante siglos intuyó: nuestra galaxia está inundada de planetas, muchos de ellos probablemente muy parecidos al nuestro.

En apenas 20 años se ha confirmado la existencia de unos 1.800 exoplanetas (objetos celestes fuera de nuestro Sistema Solar), de los que una veintena aproximadamente se encuentra en la denominada zona habitable. Quiere esto decir que orbitan su estrella a una distancia que teóricamente les permitiría albergar océanos, lagos o ríos con agua líquida en su interior, pues no están ni tan cerca ni tan lejos de su astro como para que fuesen mundos con temperaturas infernales o planetas helados, lo que les convertiría en inhabitables. Y si albergasen agua líquida, sostienen los astrofísicos, potencialmente podrían tener o haber tenido en el pasado algún tipo de vida.

La mayoría de esos mundos han sido detectados en los últimos cinco años, muchos de ellos gracias al telescopio espacial de la NASA Kepler, que fue lanzado en marzo de 2009. Se han encontrado planetas de tamaños muy diversos. La mayoría son más grandes que la Tierra, pues son más fáciles de detectar. Sin embargo, un equipo de astrofísicos de la NASA ha anunciado este jueves la detección de un planeta extrasolar con un tamaño muy parecido al de nuestra Tierra que han denominado Kepler-186f.

De todos los que se han encontrado hasta ahora, aseguran en su estudio publicado en la revista Science, es el que tiene un tamaño más parecido al nuestro. El nuevo objeto es lo suficientemente especial como para que la NASA haya convocado una rueda de prensa este jueves para explicar este gran hallazgo.

Creen que se trata de un planeta rocoso, como el nuestro, además se encuentra en la zona habitable de su estrella, dejando abierta la posibilidad de que albergue agua líquida y, por tanto, alguna forma de vida. «Los modelos teóricos sobre la formación de planetas sugieren que es improbable que aquellos con un radio inferior a 1,5 veces el de la Tierra estén envueltos en densas atmósferas de hidrógeno y helio, que es lo que les ocurre a los gigantes gaseosos de nuestro Sistema Solar [como Júpiter y Saturno].

Consecuentemente, Kepler-186f es probablemente un mundo rocoso, en un sentido similar a Venus, la Tierra o Marte», compara Thomas Barclay, científico de la misión Kepler y del Instituto de Investigación Medioambiental Bay Arena. El radio del nuevo planeta es de 1,1 y su año dura 130 días.

Una estrella mucho más fría y pequeña que el Sol

Pero no todo son semejanzas. Kepler-186f orbita una estrella enana roja, Kepler-186, que es muy diferente a nuestro sol. Es mucho más fría y pequeña. Según explica la investigadora de la NASA Elisa Quintana, autora principal del estudio, se trata de un tipo de astro muy común: «Más del 70% de los cientos de miles de millones de estrellas de nuestra galaxia son enanas de tipo M», afirma la investigadora.

El sistema planetario de esta enana roja, situado a una distancia de 490 años luz de la Tierra, está conformado por al menos cinco planetas. Kepler-186f es el último descubierto y también el que se encuentra más alejado del astro.

Los planetas fuera de nuestro Sistema Solar están demasiado lejos como para que puedan detectarse de forma directa. Los astrofísicos los localizan mediante una técnica indirecta que consiste en observar los llamados tránsitos. Cuando un objeto pasa delante de una estrella produce una especie de eclipse que bloquea y disminuye el brillo que ésta emite. Y a partir de estas observaciones son capaces de estimar la dimensión de la órbita y la masa de los planetas. Para confirmar los resultados, combinan diversos telescopios. Así para caracterizar el planeta Kepler-186f, se han usado los observatorios Keck y Gemini.

Elisa Quintana cree que la luz de la estrella Kepler-186 es demasiado tenue como para que puedan llegar a detallar en el futuro la composición de la atmósfera de este planeta parecido a la Tierra, ni siquiera con la futura generación de telescopios, como el James Webb, que será lanzado en 2018. Sin embargo, confía en encontrar sistemas planetarios con estrellas más brillantes que permitan analizar la composición de las atmósferas de otros planetas gemelos a la Tierra.

A la búsqueda de señales de vida

Cuando los científicos hablan de la posibilidad de que un planeta fuera de nuestro Sistema Solar tenga agua líquida y, por consiguiente, pueda llegar a albergar algún tipo de vida, no quieren decir que se trate necesariamente de vida como la que conocemos en la Tierra. Sin embargo el Instituto para la Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre (SETI, por sus siglas en inglés), financiado por miles de donantes entre los que se encuentra la actriz Jodie Foster, protagonista de la películaContact, sí tiene esperanzas de encontrarla en el nuevo planeta Kepler-186f. Según explican en un comunicado, desde 2012 su telescopio terrestre Allen ha estado observando los objetos hallados por el telescopio espacial Kepler para encontrar algún tipo de señal que indicara la existencia de vida extraterrestre inteligente. Kepler-186f, en cuya detección han participado investigadores del SETI, es uno de los mejores candidatos por sus aparentes semejanzas con la Tierra, así que ya han iniciado una búsqueda de señales hacia este planeta dirigiendo hacia él una amplia gama de frecuencias, de 1 a 10 GHz. De momento, admiten que no han encontrado nada pero no se dan por vencidos: «Vamos a repetir las observaciones», aseguran.

Fuente: http://www.elmundo.es/

Unread Section Opened in the Standard Model Book

While others are worrying that new physics might be running out of corners (see Eve Le Ménédeu’s blog) we should not forget that even within the book of the Standard Model there are completely unread chapters. The Standard Model draws its success from the fascinating fact that its basic energy density formula, called Lagrangian, is uniquely defined by just specifying three fundamental symmetries.  It not only fits on John Ellis’s t-shirt (see blog by Jessica Levêque) but even on a mug in Figure 1. Introducing a spin zero Brout-Englert-Higgs field by adding the last two lines on the mug allows for a symmetry-breaking ground state, gives particles their mass and us the chance to live on earth and investigate all this. Each term on the mug corresponds to a chapter in the Book of the Standard Model by describing a certain class of processes via vertices in Feynman diagrams.

Figure 1. The Chapters of the Standard Model Book, one per line. Image courtesy of Quantum Diaries

For thousands of years mankind has been reading Chapter 2 (second line), describing the interaction of ‘Gauge particles’ like photons, which mediate forces, with ‘matter particles’ like electrons, laying the basis for forming atoms, molecules and matter.
Chapter 3 (third line) and Chapter 4a (4^th line left) with the Higgs couplings to fermions, like top and tau, and to bosons, like W and Z, was opened only in 2012 at CERN’s LHC and currently thousands of scientists are reading it with increasing passion and excitement. For the right-hand part of line 4, the Higgs self-coupling chapter, we will have to wait for the next generation of accelerators.
But what about Chapter 1 in the first line? Its lowest order content, the free propagation of photons, is not even depicted in the figure. Classically, this free propagation was described as electromagnetic waves, predicted and found by Maxwell and Hertz in the second half of the 19^th century.  Depicted near the mug are self-interactions, which only exist for those gauge particles, who themselves carry the charge of the interaction, i.e. for the strong gluons and the weak W and Z Bosons. The existence and predicted strengths of all so-called ‘Triple Gauge Couplings’ (TGC) of three gauge particles have been proven at LEP (1992 for gluons and 1997 for W and Z Bosons). However, the so-called ‘Quartic Gauge Coupling’ (QGC) of four gauge particles – for gluons at least indirectly seen – was never part of any measured process involving W and Z bosons so far. It thus remained a completely unread section in Chapter 1 of the Book of the Standard Model — until this week!
Last Thursday, the ATLAS collaboration at CERN announced the first observation of a process which involves the quartic gauge coupling: the scattering WW → WW of two W bosons with same electric charge. In two simultaneous conferences — Marc-Andre Pleier’s talk in Moriond’s morning session, and Anja Vest’s and Ulrike Schnoor’s talks in the afternoon sessions of the German Physical Society Spring Conference — the community had the chance to witness the opening of this thus-far-unread section of the Standard Model. In addition to 16 expected background events, ATLAS observes an excess of 18 candidate events for WW → WW scattering, in perfect agreement with the Standard Model, predicting 14 such signal events in the 8 TeV LHC data. The probability that the background could have fluctuated up that far is only 1:3000.

Candidate event for WW → WW scattering. Source: http://cds.cern.ch/record/1690282

But how can two W Bosons scatter at LHC, when in fact protons are collided in the first place? Quite frequently, in such a collision, a quark inside a proton radiates a W boson. Less frequently, this happens in both of the colliding protons, so that the decay products of two Ws will be visible in the detector. In very rare cases, before their decay, these Ws can come close enough to scatter via the electroweak force. A candidate for such a scattering event is shown in the figure: It has the characteristic features of two ‘tagging’ jets close to the beam axis, produced by the two radiating quarks, large missing transverse momentum from the neutrinos (blue arrow) and two like-sign electrically charged leptons (red towers) from the W decays in the central part of the detector. Observing this process first for like-sign Ws was not accidental: W pairs with the same electric charge have the huge advantage of negligible background from top-antitop decays or W radiation from gluon-induced quark-antiquark pairs, which can only produce W pairs with opposite electric charge.

Actually, this scattering process of gauge particles is at the heart of  electroweak symmetry breaking, mentioned in the beginning, and was one of the key reasons to build the LHC. In the Standard Model, the contribution of Higgs Bosons is needed to make sure that the rate of this scattering for large WW centre of mass energies in the TeV range obeys the basic ‘unitarity’ law, that a probability cannot be larger than 100%. These critical energies will indeed be reached in the forthcoming 13 TeV run. The scattering of gauge particles will then tell us more about the properties of the Higgs Boson and the symmetry-breaking Brout-Englert-Higgs field. Maybe we don’t have to look too far to find remote corners; perhaps new physics is written in this quartic gauge coupling section of the book of the Standard Model, a chapter we have just started to read.

Source: http://atlas.ch/