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

22

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/

Primer «vistazo» directo al instante del Big Bang

Un telescopio en el Polo Sur detecta por primera vez ondas gravitacionales primordiales, una ventana al origen del Universo y la mayor prueba de su expansión.

J.M.Nieves/J. de Jorge. Hace unos 13.800 millones de años, el Universo que conocemos irrumpió violentamente como consecuencia de una gran explosión, el Big Bang. En menos de lo que dura un abrir y cerrar de ojos, el Cosmos se expandió de manera exponencial, extendiéndose hasta un punto que ni siquiera los mejores telescopios actuales son capaces de ver. Es lo que se conoce como inflación cósmica, cuya evidencia directa acaba de ser anunciada por primera vez. Un amplio equipo de investigadores, liderados por el Centro Harvard-Smithsonian para la Astrofísica, ha dado a conocer, en una rueda de prensa precedida por una gran expectación, la primera detección de las ondas gravitacionales, pequeñas deformaciones en el tejido del espacio-tiempo que se transmiten a la velocidad de la luz y recorren todo el Cosmos. Descritas como los «primeros temblores del Big Bang», su hallazgo es considerado el «santo grial» de la Cosmología.

Estas ondas, predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein, han sido descubiertas por el Telescopio BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), instalado en el Polo Sur y que estudia la radiación cósmica de fondo (CMB), el débil resplandor que aún nos llega de la gran explosión. Oculto bajo ese mapa, como si se tratara de una obra de arte escondida bajo otra pintura, se encontraba también la «firma» de las tan perseguidas ondas gravitacionales. El hallazgo ha sido posible gracias al «truco» de medir un tipo muy especial de polarización de la luz, llamada «en modo B». Estas ondas comprimen el espacio a medida que viajan, y esta compresión produce un patrón distinto en el fondo cósmico de microondas.

«Las implicaciones que puede tener esta detección son asombrosas», asegura Jamie Bock, profesor de física en el Instituto de Tecnología en Pasadena (Caltech), investigador en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA y coautor del estudio. «Estamos midiendo una señal que viene de la noche de los tiempos».

De hecho, los investigadores se sorprendieron al detectar una señal de polarización en modo B considerablemente más fuerte de lo que muchos cosmólogos esperaban. Las observaciones demuestran que las ondas gravitacionales fueron creadas en abundancia durante los primeros años de la inflación del Universo.

Para realizar la detección, los científicos examinaron una escala espacial que abarca aproximadamente de uno a cinco grados (de dos a diez veces el ancho de la Luna llena), lo que les permitió reunir los fotones de una amplia franja del fondo cósmico de microondas en un área del cielo en la que se puede ver claramente a través de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Para ello, el equipo viajó al Polo sur para aprovechar el aire frío, seco y estable. «El Polo Sur es lo más cercano que puedes llegar al espacio sin dejar de estar en el suelo», afirma Johan Kovac, del Centro Harvard Smithsonian de Astrofísica e investigador principal de BICEP2. Para realizar las mediciones, fue ideada una tecnología completamente nueva, una cámara en una placa de circuito impreso que incluye una antena para enfocar y filtrar la luz polarizada.

El equipo analizó los datos de más de tres años en un esfuerzo para descartar cualquier error. También consideraron que la presencia de polvo en nuestra galaxia podría producir el patrón observado, pero los datos sugieren que esto es altamente improbable. «Ha sido como buscar una aguja en un pajar, pero en su lugar nos encontramos con una barra de hierro», explica Clem Pryke, de la Universidad de Minnesota, coautor de la investigación.

Para el teórico Avi Loeb, de Harvard, «este trabajo ofrece nuevas pistas sobre algunas de nuestras preguntas más básicas: ¿Por qué existimos? ¿Cómo empezó el universo? Estos resultados no solo son una prueba irrefutable de la inflación, sino que también nos dicen que la inflación tuvo lugar y lo poderoso que fue el proceso». Mar Kamionkowski, uno de los físicos teóricos que predijo la existencia de las ondas gravitacionales en 1996, actualmente en la Universidad Johns Hopkins, asegura que el descubrimiento «es una poderosa evidencia de la inflación. Ahora hemos aprendido que las ondas gravitacionales son abundantes (…) Esto es un avance notable en la cosmología».

Así lo considera también el físico Luis Álvarez-Gaumé, investigador del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), donde también fue director del departamento de Física Teórica. A su juicio, el descubrimiento «resulta excitante y revolucionario. Después del hallazgo del bosón de Higgs, se abre la posibilidad de encontrar nuevas partículas y nuevos estados de la materia. Es la puerta de toda una nueva Física para comprender el Universo a escalas que hasta ahora ni siquiera nos hubiéramos podido imaginar». Y así es, ya que hablamos de mirar al Universo cuando solo tenía 10 elevado a la -34 segundos de edad, cuando en un instante se hizo gigantesco. El físico, uno de los máximos expertos en Teoría de cuerdas del mundo, cree que quizás lleguemos a ver el inflatrón, el agente desconocido que hizo posible la inflación.

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

The Neutrino Puzzle

Having explored the latest results on what we call ‘heavy flavour’ or physics of particles containing a b-quark (see The Penguin Domination by Jessica Levêque), we embarked on a much lighter subject: neutrinos.

It was as if a fresh breeze swept through the audience. Partly because we are surrounded by snow-capped mountains but mostly because of the topic — neutrino physics has been bubbling with activity these past few years. Many new measurements were shown, adding several pieces to the neutrino puzzle. But we are still far from having a clear idea of the picture we are trying to build, piece by piece.

Neutrinos are special particles. They are at the heart of some of the most exciting fundamental problems that particle physicists are trying to solve. But neutrinos are elusive, a characteristic that makes it difficult to study them. Physicists must use their ingenuity to compete at developing new kinds of detectors capable of measuring neutrinos coming from different sources.

Neutrinos sources studied by experiments

There are a few things we know about neutrinos. In the Standard Model, neutrinos are neutral leptons that were thought to be massless. There are three neutrino species — electron, muon and tau neutrinos, each associated to the other three leptons in the Model — electron, muon and tau. They are the second most common particle in the universe after photon but are not well-known to the public. They interact with matter through weak interaction which makes them difficult to catch. But physicists like challenges and build experiments to detect and measure the flux of neutrinos coming from sources outside of our solar system or the sun, through the atmosphere, produced by terrestrial nuclear power plants or particle accelerators.

Most of these experiments were only sensitive to one neutrino species and at first, all these measurements appeared to be inconsistent. The picture got clearer when the Super Kamiokande experiment in Japan established in 1998 that neutrinos can oscillate from one species to another. Which means that an electron-neutrino can transform itself into a muon-neutrino and vice-versa. This explains, for instance, why the solar electron-neutrino measured flux is well below the one predicted by the solar model — because a fraction of them oscillate into muon-neutrinos that were not detected. The important consequence of the oscillation is that it can only occur if neutrinos have mass!

Neutrino masses with respect to the other Standard Model particles (fermions)

Since then, new experiments have been built to measure the probability of oscillation between different neutrino species and infer a measurement of their mass. At the conference, several measurements of these parameters were shown and we now know with fair precision the different oscillation probabilities as well as the mass differences between neutrino species. However, we still don’t know the mass itself although cosmological experiments allow us to set an upper limit on the sum of the masses of the three neutrino species, which is below an eV (electronVolt). Moreover, new experimental inconsistencies appear: some experiments do not observe the expected number of neutrinos, even with the oscillations taken into account.

So now, new questions have arisen: Where does the neutrino mass come from? Why is it so far from the other lepton masses? As it is massive and weakly interacting, could the neutrino be part of the dark matter of the universe? Is the neutrino its own anti-particle? Are there more than three neutrinos? Where are the high energetic neutrinos coming from?

Some experiments like IceCube are now able to map neutrinos coming from the universe and this is like doing astronomy with neutrinos!

Neutrino skymap as measured by the IceCube experiment

During the session, several theoreticians proposed models that try to conciliate the different observations and answers to the above questions: Couldn’t there be a new species of neutrino in which the others could oscillate? Is the neutrino description in the standard model complete: couldn’t they have (as the other leptons) right-handed partners? This last option is interesting since it could explain why the standard neutrino mass is so small and perhaps also part of the universe dark matter as the right handed-neutrinos could be very massive.

Theoretical talks alternated with experimental ones describing future experiments that are currently being developed to help solve the puzzle. These experiments are being built by smaller collaborations in comparison to the LHC teams. The experiments can be located in the South Pole to take advantage of the ice as an interacting medium for the detector or in the depth of a disused mine to fight efficiently against cosmic ray background. The proposed technologies are also very different depending on the aim of the measurement but all experiments need a very low and well-controlled background, as the number of observed neutrinos is always small.

Stay tuned! There is no doubt that new results on neutrinos will come soon but in the meantime, my colleagues and I will catch some fresh air during a long lunch break up on the snowy mountains. After all, it is important to rest our brains in order to prepare for presentations of the top quark, the Higgs boson and other new results from the LHC in the next sessions.

So, what does a particle physicist, with her brain at rest, see in the surrounding mountains?

well…

Higgs decaying in two photons bump over background as seen by the ATLAS experiment

the Higgs boson of course!!!

Source http://atlas.ch

Extraordinary momentum and spin discovered in evanescent light waves

Mar 06, 2014

Transverse force and torque on a particle in evanescent field generated from a total internal reflection in a glass prism. These reveal the presence of the transverse momentum and spin in the evanescent wave above the prism. Credit: RIKEN

A team of researchers from the RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) in Japan has identified unexpected dynamic properties of a type of light wave called evanescent waves. These surprising findings contrast sharply with previous knowledge about light and photons.

The study carried out in the Quantum Condensed Matter Research Group (CEMS, RIKEN, Japan) led by Dr. Franco Nori is published today in the journal Nature Communications.

Energy, momentum, and angular momentum are the main dynamic characteristics of physical objects. It is well known that light propagating as an electromagnetic wave or photon carries momentum along the direction of the wave's propagation, and that this momentum is independent of polarization. In addition, light can carry an intrinsic angular momentum, called spin, that is proportional to the degree of circular polarization (helicity), and aligned with the propagation direction.

The RIKEN team analysed the momentum and spin of evanescent electromagnetic waves – a type of light waves that travel close to the surface of material objects and whose intensity decreases exponentially, rather than varying sinusoidally, from the interface where they were formed.

Surprisingly, the researchers found that evanescent waves carry momentum and spin components that are orthogonal to the direction of wave propagation. Moreover, the transverse spin turns out to be independent of polarization and helicity, while the transverse momentum is proportional to the wave helicity.

"Such extraordinary properties, revealed in very basic objects, offer a unique opportunity to investigate and observe fundamental physical features, which were previously hidden in usual propagating light and were considered impossible," says Dr. Konstantin Bliokh, first author of the study. "In addition to a detailed theoretical analysis, we propose and simulate numerically four novel experiments for the detection of the unusual momentum and spin properties of evanescent waves via their interaction with small probe particles," he adds.

These results add a new chapter to the physics of momentum and spin of classical and quantum fields, and predict a number of novel light-matter interaction effects involving evanescent waves.

 Explore further: Classical physics shown to be equal to quantum theory when it comes to unusual experiments with light beams

More information: Extraordinary momentum and spin in evanescent waves, Konstantin Y. Bliokh, Aleksandr Y. Bekshaev, Franco Nori, Nature Communications, 2014. DOI: 10.1038/ncomms4300

Journal reference: Nature Communications

Read more at: http://phys.org/news/2014-03-extraordinary-momentum-evanescent.html#jCp

http://phys.org/

4.000 millones de años luz, la mayor estructura de todo el Universo

Roger Clowes. Fragmento del Gran Grupo de Cuásares localizado por Roger Clowes y su equipo

Es tan gigantesco que llega incluso a desafiar el Principio Cosmológico, una de las principales hipótesis de la Astronomía.

La que es sin duda la mayor estructura del Universo acaba de ser descubierta por un grupo internacional de astrónomos, dirigidos por investigadores de la Universidad de Central Lancashire (UCLan). Se trata de un LQG (Large Quasar Group o Gran Grupo de Cuásares), y es tan grande que se necesitaría viajar en una nave a la velocidad de la luz durante 4.000 millones de años para recorrerlo de punta a punta. El equipo ha publicado su hallazgo en la revista mensual de la Royal Astronomical Society.

Los cuásares son nucleos muy activos de galaxias formadas durante la juventud del Universo y que durante “breves” periodos (que duran entre 10 y 100 millones de años), se vuelven extraordinariamente brillantes, y por lo tanto visibles a enormes distancias.

Desde la década de los ochenta del pasado siglo se sabe que los cuásares tienden a agruparse en “racimos” o estructuras de gran tamaño, formando grupos que los astrónomos conocen como LGQs.

Pero el LGQ identificado por Roger Clowes y sus colegas es tan enorme que llega incluso a desafiar el Principio Cosmológico, una de las principales hipótesis de la Astronomía que afirma que si se contempla el Universo a una escala lo suficientemente grande, éste aparece igual en todas partes, sin que importe desde dónde se realice la observación. El Principio Cosmológico, del que dependen las modernas teorías sobre el Universo, es asumido como cierto aunque jamás ha podido ser demostrado “más allá de una duda razonable”.

“Aunque es difícil comprender la magnitud de este LQG -afirma Clowes-, podemos decir, definitivamente, que se trata de la estructura más grande jamás vista en todo el universo”.

Para hacerse una idea de la magnitud de esta estructura, basta pensar que la Vía Láctea, nuestra galaxia, está a unos dos millones y medio de años luz de la galaxia más próxima, Andrómeda, lo que equivale a 0,75 megaparsecs. Un megaparsec (Mpc) es igual a 3,26 millones de años luz.

Un cúmulo de galaxias como el nuestro, formado por unos veinte miembros, puede medir dos o tres Mgp, y los LQC, mucho mayores, pueden llegar a tener hasta 200 Mgp (esto es, unos 650 millones de años luz) de diámetro.

Pero para que se cumpla el Principio Cosmológico y según predicen las teorías más reconocidas, no debería de haber en todo el Universo estructuras mayores de 370 Mpc (1.200 millones de años luz). Pero el grupo de cuásares encontado por Clowes y sus colegas tiene una dimensiones mucho mayores: 1.200 megaparsecs o, lo que es lo mismo, 4.000 millones de años luz, mil seiscientas veces más que la distancia que nos separa de Andrómeda.

“Todo esto -afirma Clowes- resulta muy emocionante, y también muy importante, ya que va en contra de nuestra comprensión actual de las escalas del Universo”.

“Incluso viajando a la velocidad de la luz -prosigue el investigador- se tardarían 4.000 millones de años en cruzarla. Y esto es relevante no solo a causa de su tamaño, sino porque desafía el Principio Cosmológico, cuya validez no se discute desde los tiempos de Einstein. Nuestro equipo ha estado buscando otros casos que reafirmen nuestro hallazgo, y vamos a seguir investigando estos fenómenos tan fascinantes”.

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

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/