¿El neutrino es su propia antipartícula?

Artículo publicado por Signe Brewster el 20 de enero de 2016 en Symmetry Magazine

La misteriosa partícula podría tener la clave de por qué la materia prevaleció sobre la antimateria en los inicios del universo.

Casi todas las partículas tienen un homólogo de antimateria: una partícula con la misma masa pero carga opuesta, entre otras características.

Esto parece aplicarse a los neutrinos, minúsculas partículas que nos atraviesan constantemente. A partir de las partículas liberadas cuando un neutrino interactúa con la materia, los científicos pueden discernir si han captado un neutrino contra un antineutrino.

Detector Super-Kamiokande

Pero ciertas características de los neutrinos y los antineutrinos hacen que los científicos se pregunten: ¿Son los mismos? ¿Son los neutrinos sus propias antipartículas?

Esto no es una novedad. Los gluones e incluso los bosones de Higgs se cree que son sus propias antipartículas. Pero si los científicos descubren que los neutrinos son sus antipartículas, podría darnos una pista sobre por qué tienen esa masa tan minúscula — y si desempeñaron un papel en un universo predominado por la materia.

Dirac contra Majorana

La idea de antipartícula procede de 1928, cuando el físico británico Paul Dirac desarrolló lo que se ha llegado a conocer como ecuación de Dirac. Su trabajo buscaba explicar qué sucedía cuando los electrones se movían a una velocidad cercana a la de la luz. Pero sus cálculos dieron como resultado un extraño requisito: que los electrones, a veces, tenían energía negativa.

“Cuando Dirac escribió su ecuación es cuando supo que las antipartículas existían”, señala André de Gouvêa, físico teórico y profesor en la Universidad Northwestern. “Las antipartículas son una consecuencia de su ecuación”.

El físico Carl Anderson descubrió el compañero de antimateria del electrón que Dirac previó en 1932. Lo llamó positrón – una partícula como el electrón, pero con una carga positiva.

Dirac predijo que, además de tener cargas opuestas, los homólogos de antimateria deberían tener otra característica opuesta, conocida como quiralidad, que representa una de las propiedades cuánticas inherentes que tiene una partícula. Cada partícula puede tener una quiralidad dextrógira o levógira.

La ecuación de Dirac permitió que neutrinos y antinetrinos fuesen partículas distintas y, como resultado, eran posibles cuatro tipos de neutrinos: neutrinos con quiralidad levógira y dextrógira, y antineutrinos también con ambas quiralidades.

Pero si los neutrinos no tenían masa, como pensaban los científicos en aquella época, sólo se requeriría la existencia de neutrinos levógiros y antineutrinos dextrógiros.

En 1937, el físico italiano Ettore Majorana debutó con otra teoría: neutrinos y antineutrinos eran en realidad lo mismo. La ecuación de Majorana describía que los neutrinos, si después de todo tenían masa, podrían convertirse en antineutrinos, y viceversa.

El desequilibrio materia-antimateria

Si la masa del neutrino era cero o no, siguió siendo un misterio hasta 1998, cuando los experimentos Super-Kamiokande y SNO hallaron que realmente tenían una masa muy pequeña — un logro reconocido con el Premio Nobel de Física de 2015. Desde entonces, han surgido experimentos en Asia, Europa y Norteamérica buscando pistas de que el neutrino es su propia antipartícula.

La clave para encontrar esta prueba es algo llamado conservación del número leptónico. Los científicos consideran una ley fundamental de la naturaleza que el número leptónico se conserve, lo que significa que el número de leptones y antileptones implicados en una interacción debería ser igual antes y después de que tenga lugar dicha interacción.

Los científicos creen que justo después del Big Bang, el universo debería haber contenido las mismas cantidades de materia que de antimateria. Los dos tipos de partículas deberían haber interactuado, cancelándose gradualmente entre sí hasta que no quedase más que energía. De algún modo, no es así como sucedió.

Descubrir que el número leptónico no se conserva abriría una puerta que permitiría el actual desequilibrio entre materia y antimateria. Y las interacciones entre neutrinos podrían ser el lugar donde encontrar dicha puerta.

Desintegración doble beta sin neutrinos

Los científicos están buscando la violación del número leptónico en un proceso conocido como desintegración doble beta, dice el teórico de SLAC Alexander Friedland, que está especializado en el estudio de los neutrinos.

En su forma más común, la desintegración doble beta es un proceso en el cual un núcleo se desintegra en un núcleo distinto y emite dos electrones y dos antineutrinos. Esto equilibra la materia y antimateria leptónica antes y después del proceso de desintegración, por lo que se conserva el número leptónico.

Si los neutrinos son sus propias antipartículas, es posible que los antineutrinos emitidos durante la desintegración doble beta pudiesen aniquilarse entre sí y desaparecer, violando la conservación del número leptónico. Esto es lo que se conoce como desintegración doble beta sin neutrinos.

Dicho proceso sería favorable a la materia sobre la antimateria, creando un desequilibrio.

“Teóricamente, provocarían una profunda revolución en nuestra comprensión de dónde logran su masa las partículas”, señala Friedland. “También nos diría que hay una nueva física a unas escalas de energía altísimas — que hay algo nuevo más allá del Modelo Estándar que conocemos y queremos”.

Es posible que neutrinos y antineutrinos sean diferentes, y que haya dos estados para los neutrinos y otros dos para los antineutrinos, como se requiere en la ecuación de Dirac. Los dos estados que faltan podrían ser tan esquivos como para que los físicos aún no los hayan observado.

Pero observar las pruebas de una desintegración doble beta sin neutrinos sería una señal de que Majorana tuvo la idea correcta — neutrinos y antineutrinos son lo mismo.

“Son experimentos muy complejos”, señala de Gouvêa. “Son similares a los experimentos de materia oscura, en el sentido de que tienen que realizarse en entornos muy tranquilos con detectores muy limpios y sin radiactividad salvo la del núcleo que tratas de estudiar”.

Los físicos aún están evaluando su comprensión de las esquivas partículas.

“Ha habido tantas sorpresas procedentes de la física de neutrinos”, apunta Reina Maruyama, profesor de la Universidad de Yale asociado al experimento CUORE sobre desintegración doble beta sin neutrinos. “Creo que es realmente apasionante pensar en lo que no sabemos”.

Fuente: http://www.cienciakanija.com/

El último artículo de Hawking sobre agujeros negros divide a los físicos

Artículo publicado por Davide Castelvecchi el 27 de enero de 2016 en Nature News

Algunos dan la bienvenida a su último trabajo como una nueva forma de resolver un problema con los agujeros negros; otros no están seguros de su valor.

Casi un mes después de que Stephen Hawking y sus colegas publicasen un artículo en línea sobre agujeros negros¹, los físicos no se ponen de acuerdo sobre su significado.

Algunos apoyan las afirmaciones del borrador — que proporciona una prometedora forma de abordar un obstáculo conocido como la paradoja de la información de los agujeros negros, que Hawking identificó hace más de 40 años. “Creo que hay un sentimiento general de entusiasmo por tener una nueva forma de estudiar cosas que puede que nos saquen del atasco en el que nos encontramos”, comenta Andrew Strominger, físico en la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, y coautor del último artículo.

Impresión artística de un agujero negro Crédito: NASA

Strominger presentó los resultados el 18 de enero en una abarrotada charla en la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, donde trabaja Hawking.

Otros no están tan seguros de que el enfoque pueda resolver la paradoja, aunque algunos dicen que el trabajo arroja luz sobre varios problemas de la física. A mediados de la década de 1970, Hawking descubrió que los agujeros negros no son realmente negros sino que, de hecho, emiten cierta radiación². De acuerdo con la física cuántica, deben aparecer pares de partículas, surgidas a partir de las fluctuaciones cuánticas, justo en el borde exterior del horizonte de sucesos — el punto de no retorno del agujero negro. Algunas de estas partículas escapan al tirón del agujero negro, pero se llevan una parte de su masa con ellas, provocando que el agujero negro mengüe lentamente hasta desaparecer finalmente.

En un artículo³ publicado en 1976, Hawking señalaba que las partículas que salían del agujero negro – conocidas como radiación de Hawking — tendrían propiedades completamente aleatorias. Como resultado, una vez que el agujero negro desaparecía, la información transportada por cualquier cosa que hubiese caído anteriormente en el agujero se perdería para el resto del universo. Pero este resultado choca contra las leyes de la física, que dicen que la información, como la energía, se conserva, creando la paradoja. “Ese artículo fue responsable de más noches de insomnio entre los físicos teóricos que ningún otro en la historia”, apuntó Strominger durante su charla.

El error, explica Strominger, fue ignorar el potencial del espacio vacío para transportar información. En su artículo, él y Hawking, junto con un tercer coautor, Malcolm Perry, también de la Universidad de Cambridge, se centran en las partículas “suaves”. Son versiones de baja energía de fotones, partículas teóricas conocidas como gravitones, y otra serie de partículas. Hasta hace poco se usaban principalmente para realizar cálculos en la física de partículas, pero los autores señalan que el vacío en el cual se sitúa un agujero negro no puede estar desprovisto de partículas — sólo energía — y, por tanto, las partículas suaves están presentes allí en un estado de energía cero.

Se deduce, escriben, que cualquier cosa que caiga en un agujero negro dejaría una impronta en estas partículas. “Si estás en el vacío y respiras — o haces cualquier cosa — agitas un montón de gravitones suaves”, comenta Strominger. Tras esta perturbación, el vacío alrededor del agujero negro ha cambiado, y la información se conserva.

El artículo pasa a sugerir un mecanismo para transferir la información al agujero negro — lo cual daría como resultado la resolución de la paradoja. Los autores hacen esto mediante el cálculo de cómo codificar los datos en una descripción cuántica del horizonte de sucesos, conocido como ‘pelo del agujero negro’.

Una transferencia compleja

Aun así, el trabajo está incompleto. Abhay Ashtekar, que estudia gravitación en la Universidad Estatal de Pennsylvania en University Park, dice que ve la forma en que los autores transfieren la información al agujero negro — lo que llaman ‘pelo suave’ — poco convincente. Y los autores reconocen que no saben aún cómo se transferiría la información posteriormente a la radiación de Hawking, un paso necesario.

Steven Avery, físico teórico en la Universidad de Brown en Providence, Rhode Island, se muestra escéptico sobre que el enfoque pueda resolver la paradoja, pero está entusiasmado por la forma en que amplía el significado de las partículas suaves. Señala que Strominger ha encontrado que las partículas suaves revelan sutiles simetrías de las fuerzas conocidas en la naturaleza⁴, “algunas de las cuales conocíamos, y otras son nuevas”.

Otros físicos son más optimistas sobre las perspectivas del método para resolver la paradoja de la información, incluyendo a Sabine Hossenfelder del Instituto Frankfurt para Estudios Avanzados en Alemania. Dice que los resultados sobre el pelo suave, junto con parte de su propio trabajo, parecen zanjar una controversia más reciente sobre los agujeros negros, conocida como el problema del cortafuegos. Ésta es la pregunta a si la formación de la radiación de Hawking hace que el horizonte de sucesos sea un lugar muy caliente. Esto estaría en contradicción con la teoría general de la relatividad de Einstein, en la cual, un observador que cayese a través del horizonte no verían súbitos cambios en el entorno.

“Si el vacío tiene distintos estados”, explica Hossenfelder, “entonces puedes transferir información hacia la radiación sin tener que poner ninguna energía en el horizonte. Por consiguiente, no hay cortafuegos”.

Referencias

Nature 529, 448 (28 January 2016) doi:10.1038/529448a
1.- Hawking, S. W., Perry, M. J. & Strominger, A. Borrador en http://arxiv.org/abs/1601.00921 (2016).
2.- Hawking, S. W. Nature 248, 30–31 (1974).
3.- Hawking, S. W. Phys. Rev. D 14, 2460–2473 (1976).
4.- Strominger, A. J. High Energ. Phys. 1407, 152 (2014).


Fuente: http://www.cienciakanija.com/2016/01/30/el-ultimo-articulo-de-hawking-sobre-agujeros-negros-divide-a-los-fisicos/

¡Sorpresa! El Planeta X existe de verdad

Se trataría del noveno planeta de nuestro sistema estelar y ha sido apodado como «Planeta Nueve». Aún no se ha observado directamente, pero su presencia se ha inferido al estudiar las órbitas de sus vecinos, más allá de Plutón.

Al final, el famoso Planeta X podría convertirse pronto en realidad. El conocido astrónomo Michael Brown, descubridor de Eris y Sedna, acaba de aportar, junto a su colega Konstantin Batygin, las mejores evidencias que existen hasta ahora de la existencia de un nuevo y distante planeta gigante en los confines del Sistema Solar. Su trabajo, que está revolucionando a la comunidad científica internacional, acaba de publicarse en The Astronomical Journal.
Todo parece indicar que estamos más cerca que nunca de descubrir el noveno planeta del Sistema Solar. Y no se trata esta vez de pequeños mundos helados más allá de la órbita de Plutón, como el que anunció la Institución Carnegie el pasado mes de noviembre, ni tampoco de un simple objeto transneptuniano, sino de un auténtico gigante de tamaño comparable a Neptuno y que, de confirmarse definitivamente su existencia, entraría por la puerta grande en el selecto club planetario del que la Tierra forma parte y del que, en 2006, fue expulsado el propio Plutón. En otras palabras, podría tratarse del famoso y escurridizo Planeta X, ese que los astrónomos persiguen desde hace más de un siglo y que la cultura popular ha terminado por convertir en leyenda.
Los autores del trabajo, un equipo de investigadores de Instituto de Tecnología de California, le han bautizado como «Planeta Nueve». Tiene entre cinco y diez veces la masa de la Tierra, gira alrededor del Sol una vez cada 15.000 años y, aunque aún no lo han observado directamente, Michael Brown y Konstantin Batygin han deducido su existencia a partir de las órbitas de toda una serie de planetas enanos y otros objetos extremos de nuestro Sistema descubiertos recientemente. Se sabe desde hace tiempo que las extrañas «maniobras orbitales» de estos pequeños mundos podrían explicarse gracias a la perturbación gravitatoria de un hipotético planeta gigante nunca visto hasta ahora. Brown y Batygin creen que el nuevo planeta pudo ser «expulsado» lejos del Sol y al espacio profundo hace miles de millones de años, como consecuencia de un «empujón gravitatorio» de Júpiter o Saturno.

Escepticismo

Los investigadores saben que su trabajo será sometido a toda clase de revisiones por astrónomos de todo el mundo. No es la primera vez, en efecto, que se anuncia el hallazgo del misterioso Planeta X, cuya búsqueda está plagada de errores, exageraciones e, incluso, pura y simple charlatanería. Por eso, Brown y Batygin se han preparado conta la inevitable ola de escepticismo con una larga serie de datos, análisis orbitales de otros objetos distantes y sesudas simulaciones informáticas. «Si dices que tienes evidencias del planeta X -afirma Brown- prácticamente cualquier astrónomo dirá: ´¿Otra vez? Estos chicos, claramente, están locos. ¿por qué esta vez debería ser diferente a las demás?´. Esta vez es diferente porque esta vez tenemos razón».
Los dos astrónomos dedujeron la presencia del«Planeta Nueve» por la singular agrupación de seis objetos previamente conocidos y cuyas órbitas se encuentran más allá de Neptuno. Según sus datos, solo hay un 0,007% de probabilidades (una entre 15.000) de que esa agrupación se deba a una simple coincidencia. Mucho más probable es que un planeta con la masa de diez tierras esté guiando a los seis objetos en sus extrañas y peculiares órbitas elípticas, muy inclinadas con respecto al plano del Sistema Solar.
Del mismo modo, también la órbita del nuevo planeta está inclinada, y también estirada hasta distancias tan grandes que obligarán a revisar algunas de las ideas más establecidas sobre la dinámica planetaria dentro de nuestro sistema.

Locura

La mayor aproximación del Planeta Nueve al Sol lo sitúa hasta siete veces más lejos que Neptuno, a 200 Unidades Astronómicas (UA) de distancia. (Una Unidad Astronómica es la distancia que hay entre la Tierra y el Sol, 150 millones de km). Pero en su periplo orbital, el recién descubierto Planeta X podría llegar a alejarse periódicamente del Sol entre 600 y 1.200 Unidades Astronómicas. Es decir, mucho más allá del cinturón de Kuiper, la región de los pequeños mundos helados más allá de Neptuno, que empieza a «solo» unas 30 UA.
Hace años, la investigación de Brown y Batygin no iba encaminada a descubrir un nuevo planeta, sino todo lo contrario, a demostrar que el Planeta Nueve no existía. Pero el trabajo de otros dos astrónomos, que descubrieron una inusual agrupación de pequeños mundos helados en una remota región del Sistema Solar, les hizo cambiar de idea. En 2014, además, un estudio publicado en Nature por Scott Sheppard Y Chad Trujillo, de la Institución Carnegie, apuntaba a la existencia potencial de un planeta gigante desconocido, uno cuya gravedad, precisamente, estuviera afectando a las órbitas de todos esos cuerpos más pequeños. Al principio Brown pensó que era una locura, y trató de demostrarlo con una serie de ecuaciones y simulaciones informáticas que, al final, terminaron por demostrar que la del planeta gigante oculto era la mejor de las explicaciones posibles.
Según sostienen Brown y Batygyn, si el Planeta X está ahí fuera, los astrónomos deberían encontrar muy pronto más objetos en «órbitas reveladoras», influenciadas por el gigante oculto. Aunque Brown sabe muy bien que nadie creerá de verdad en el descubrimiento hasta que el Planeta X, en todo su esplendor, sea detectado por fin con un telescopio. «Hasta que no haya una detección directa -afirma el astrónomo- estamos ante una hipótesis». El equipo de investigadores utilizará ahora sus cálculos para «cazar» al escurridizo planeta con uno de los grandes telescopios instalados en Hawaii. Y no cabe duda de que, con los datos de su trabajo en la mano, muchos otros astrónomos intentarán hacer lo mismo.

Matar a Plutón

De hecho, grandes telescopios de dos continentes están tratando ya de poner la vista encima al Planeta X, que sería, por tamaño, el quinto mayor del Sistema Solar, después de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Pero a tanta distancia, no se trata de una tarea sencilla, ya que el Planeta Nueve, o X, refleja tan poca luz solar que pone a prueba la capacidad de los mejores intrumentos de observación disponibles.
Resulta irónico que sea precisamente Michael Brown el descubridor del noveno planeta del Sistema Solar. De hecho, fue él quien, en 2005, descubrió Eris, un pequeño y distante mundo helado del mismo tamaño de Plutón y que demostró que el hasta entonces noveno planeta de nuestro sistema era más que uno entre muchos mundos similares del cinturón de Kuiper. Fue precisamente su descubrimiento el que provocó que, apenas un año más tarde, en 2006, la Unión Astronómica Internacional reclasificara a Plutón, privándole de su título planetario y degradándolo a planeta enano. El propio Brown contó este proceso en su libro «Cómo maté a Plutón». Unos años antes, en 2003, Brown también protagonizó el descubrimiento de Sedna, otro pequeño y lejano mundo, aunque menor que Eris y Plutón.
«Matar a Plutón fue divertido -afirma el investigador-. Y encontrar a Sedna fue científicamente interesante. Pero esto está una cabeza por encima de todo lo demás«.

Fuente: http://abcblogs.abc.es/nieves/public/post/sorpresa-el-planeta-x-existe-de-verdad-16892.asp/

La NASA pide cautela ante el posible descubrimiento del Planeta X

James Green, Director de la División de Ciencia Planetaria de la agencia, ha destacado que el hallazgo publicado ayer es el comienzo de un largo proceso científico para confirmar o descartar la existencia del noveno planeta del Sistema Solar 

El astrofísico y divulgador Carl Sagan defendió a lo largo de su carrera la idea de que a la hora de divulgar la ciencia y sus avances era necesario despertar la sed de maravilla. Pero también alertó de que, sin las necesarias dosis de escepticismo y de pensamiento crítico, la ciencia podía transformarse en pseudociencia. Es decir, en mito y fábula.

Un día después de que los astrónomos Michael Brown y Konstantin Batygin publicaran en la revista «The Astronomical Journal» el posible hallazgo del Planeta X, el que podría ser el noveno planeta del Sistema Solar, la NASA ha querido hacer un llamamiento hacia la cautela. Y el escepticismo.

«La idea de que haya un nuevo planeta es sin duda excitante para mí, como científico planetario», ha dicho James Green, Director de la División de Ciencia Planetaria de la NASA en un vídeo difundido hoy. «Sin embargo, no estamos ante la detección de un nuevo planeta. Es muy pronto para poder afirmar esto», ha señalado.

En el artículo científico publicado ayer, los científicos proponían la hipótesis de que hubiera un nuevo planeta gigante en los confines del Sistema Solar. Pero ese cuerpo no se ha detectado, y podría no existir. Su idea se basa en cálculos matemáticos sobre las órbitas de seis lejanos cuerpos, que parecen girar en torno a algo que aún no se ha encontrado.

«Estamos ante una predicción temprana basada en modelos matemáticos elaborados con observaciones limitadas (...) Estamos en el comienzo de un proceso que podría llevar a un interesantísimo resultado», ha explicado James Green.

Comienza el debate

Eso no quiere decir que la hipótesis de Brown y Batygin sea endeble. Sino que efectivamente aún se trata de una hipótesis, lo que significa que tiene que ser comprobada por otros investigadores y superar la prueba final: la detección directa del noveno planeta.

De hecho, los propios autores del artículo ya estaban preparados ante la inevitable ola de escepticismo. Para ello, trataron de blindar su trabajo con una larga serie de datos, análisis orbitales de otros objetos distantes y complejas simulaciones informáticas: «Si dices que tienes evidencias del planeta X -afirmaba Brown- prácticamente cualquier astrónomo dirá: "¿Otra vez? Estos chicos, claramente, están locos. ¿por qué esta vez debería ser diferente a las demás?". Esta vez es diferente porque esta vez tenemos razón».

Adoptando una postura más intermedia, Green ha destacado la importancia del artículo publicado ayer, porque «alimenta el interés por la exploración espacial» y estimula un «sano debate» que «forma parte del proceso científico».

Las reglas del escepticismo

«Teorías como estas sirven para estimular ideas y conversaciones. Tocan nuestra curiosidad innata», ha dicho. Pero, «cada vez que tenemos una idea tan interesante como esta, siempre debemos aplicar las reglas de Carl Sagan del pensamiento crítico, que piden confirmar de forma independiente los hechos, buscar explicaciones alternativas y estimular el debate científico».

«Si el planeta X está ahí fuera, lo encontraremos juntos. O buscaremos una explicación alternativa para los datos que hemos recibido hasta el momento. Ahora, vamos a explorar», ha propuesto James Green.

Fuente:http://elblogantares.blogspot.com.es/2016/01/la-nasa-pide-cautela-ante-el-posible.html

La habitabilidad de otros mundos

Artículo publicado el 14 de enero de 2016 en el Instituto Max Planck

Nuevos métodos permiten unas medidas precisas de la gravedad de las estrellas y el tamaño de los exoplanetas.

Cuánto pesamos en un planeta es algo que depende de su gravedad de superficie. La gravedad es un parámetro importante también para las estrellas, y cambia drásticamente a lo largo de la vida de una estrella, proporcionando información sobre su edad y etapa en la evolución estelar. Dado que las estrellas en el cielo nocturno aparecen sólo como pequeños puntos de luz, este valor es muy difícil de medir. Un equipo de científicos del Instituto Max Planck para Investigación en el Sistema Solar, en Göttingen, la Universidad de Viena, y Canadá, Francia y Australia, han desarrollado ahora un nuevo método que puede usarse para determinar la gravedad en la superficie de estrellas lejanas, de una precisión con un bajo porcentaje de error. También permite una mejor determinación del tamaño y la habitabilidad de los exoplanetas.

Exoplaneta circumbinario Crédito: CfA

En los últimos años, los astrónomos han descubierto miles de planetas alrededor de estrellas lejanas (exoplanetas), la mayor parte de los mismos usando el método de tránsito. Este método implica una búsqueda de variaciones en el brillo de la estrella, que tienen lugar cuando los planetas pasan frente a su estrella madre, bloqueando parte de la luz estelar. El tamaño del planeta puede deducirse a partir de la curva de luz – pero siempre sólo en relación al tamaño de su estrella.

Para calcular si un planeta recién descubierto es similar a la Tierra, o si es un gigante gaseoso como Júpiter, por ejemplo, los investigadores deben tener información precisa sobre las propiedades de la estrella. El tamaño de la estrella y, en última instancia, del planeta, también pueden deducirse a partir de la fuerza gravitatoria.

Hasta ahora, las medidas exactas sobre la gravedad eran posibles sólo para un pequeño número de estrellas relativamente brillantes. Tal como informan los astrónomos en la revista Science Advances, el nuevo método les permite determinar la gravedad de superficie de las estrellas que son mucho más tenues con una precisión casi constante.

El método usa variaciones mínimas del brillo en la luz estelar. Aunque el brillo de las estrellas en el cielo nocturno parece constante a primera vista, está sujeto a variaciones medibles: oscilaciones acústicas en el interior de una estrella cambian la cantidad de luz irradiada, como también los movimientos de convección – burbujas de gas caliente que suben y luego bajan al enfriarse.

Ambos fenómenos se ven influidos directamente por la gravedad de superficie de la estrella. Pueden, por tanto, usarse para medir la gravedad, la cual se deduce de la masa y el radio de la estrella.

El autor principal, Thomas Kallinger de la Universidad de Viena, explica que no es necesario mirar en el espacio para observar estos fenómenos. Simplemente mirando lo que sucede en nuestra cocina podemos verlo: “Si calentamos agua en una olla, sube desde el fondo hacia la superficie, donde el calor transportado se transfiere al aire. El líquido se hunde de nuevo, y el ciclo se inicia de nuevo”.

Esta circulación transporta energía y es lo que se conoce como convección. También tiene lugar en las capas bajo la superficie solar, entre otros sitios, y de forma similar en la mayor parte de las estrellas de nuestra galaxia.

Para poder investigar las oscilaciones acústicas y los movimientos de convección de una estrella, se determina su brillo en intervalos cortos a lo largo de un gran periodo de tiempo. El valor del brillo medido – dibujado en una gráfica como una función del tiempo – genera la curva de luz.

El método más preciso disponible para medir la gravedad de una estrella está en el análisis minucioso de las oscilaciones estelares y, por tanto, de la curva de la luz. Sin embargo, este método puede usarse sólo para aquellas estrellas cuyas oscilaciones sobresalen claramente del ruido de fondo. Pero normalmente este caso sólo se da con estrellas brillantes que son, relativamente, muy pocas.

Más habitual es el caso en que los astrónomos tienen que lidiar con estrellas que no tienen el brillo suficiente para que sus oscilaciones puedan estudiarse en detalle. Sus curvas de luz son mucho más ruidosas, dado que la proporción de señal a ruido depende del brillo de la estrella, entre otras cosas. Cuanto más tenue es la estrella, más débil es la señal que llega al detector, y más difícil es procesarla. Para curvas de luz con tanto ruido, las frecuencias individuales no pueden extraerse y no se puede aplicar el método clásico.

El nuevo método, que los investigadores llaman Autocorrelation Function Timescale Technique o Timescale Technique para abreviar, ahora permite a los investigadores determinar un valor preciso para la gravedad de estrellas débiles con curvas de luz con mucho ruido.

Los astrónomos filtran las curvas de luz para eliminar las señales de periodo largo – las cuales se originan a partir del campo magnético de la estrella, por ejemplo, y no se ven afectadas directamente por la gravedad de superficie. La escala de tiempo normal es la señal provocada por la convección y los pulsos, que pueden determinarse a partir de la curva de luz filtrada.

Esto se hace con la ayuda de lo que se conoce como filtro de paso alto, que tamiza las señales de periodo largo en los datos. La frecuencia de filtrado debe seleccionarse de tal forma que la señal que quiere medirse no se vea también filtrada; la intención es eliminar todas las señales periódicas que no se correlacionan con la gravedad, es decir, señales que surgen a partir de la rotación estelar, por ejemplo.

La precisión del método está alrededor del 4 por ciento. El único método hasta la fecha que puede aplicarse a estrellas tenues sólo proporciona una precisión de alrededor del 25 por ciento, por contra.

Los investigadores ven una enorme cantidad de posibles aplicaciones para su método. El telescopio espacial Kepler, por ejemplo, actualmente usa el método de tránsito para buscar exoplanetas, generando cientos de miles de curvas de luz extremadamente precisas durante el proceso. Futuras misiones, tales como PLATO o TESS, también usarán este método.

En el proceso, se observarán millones de estrellas, cuyas etapas de evolución y tamaños de planetas podrían investigarse usando este nuevo método.

“El método nos proporciona valores precisos para parámetros estelares que necesitamos para determinar la estructura y edad de la estrellas”, dice el coautor Saskia Hekker del Instituto Max Planck para Investigación en el Sistema Solar, en Göttingen. Y también apunta que: “Los resultados para estrellas individuales también serán muy útiles para darnos una mejor comprensión de nuestra Vía Láctea”.

'Queremos detectar la partícula que explique la materia oscura'

Fabiola Gianotti, directora del CERN, ante uno de los detectores del LCH. CERN

• MIGUEL G. CORRAL
• @miguelgcorral

Actualizado 12/01/201604:17Fabiola Gianotti (Roma, 1960) fue la encargada de anunciar al mundo el descubrimiento del bosón de Higgs. El experimento ATLAS del cual era portavoz fue uno de los que localizaron la última pieza del Modelo Estándar de la Física. El pasado 1 de enero tomó las riendas del CERN, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas, de la mano del alemán Rolf Heuer convirtiéndose en la primera mujer que dirige la institución desde que comenzó su actividad en 1954. Gianotti ha visitado España recientemente para impartir la conferencia LHC «Run 2»: impulsando tecnologías y despejando incógnitas en la sede de la Fundación BBVA.

¿Qué está por venir desde el LHC para la Física?

El inicio de la fase dos del LHC nos permitirá dar un salto en la energía del acelerador de casi el doble. Y cada vez que vamos un paso más allá en la energía, nos brinda nuevas oportunidades de abordar las preguntas sin resolver con mayores esperanzas de llegar a alguna solución.

¿Como averiguar si la partícula que se encontró es realmente el bosón de Higgs del Modelo Estándar y no uno de los otros bosones de Higgs posibles?

Sí, por supuesto. Continuaremos tomando medidas del bosón de Higgs con mayor precisión cada vez. No sólo se trata de la última partícula que nos quedaba por describir de cuantas componen el Modelo Estándar de la Física, sino que es una partícula muy especial que puede abrir por sí sola una puerta hacia una nueva física. Pero también abordaremos otras preguntas sin respuesta. ¿Por qué hay tanta materia en el Universo y tan poca antimateria? ¿A dónde fue a parar toda la antimateria? Sabemos perfectamente que sólo un 5% del Universo es visible y el resto está hecho de un tipo de materia y de energía de la que apenas sabemos nada... Hay muchas preguntas abiertas. Algunas ya las hemos empezado a contestar en la primera fase, como el origen de la masa de las partículas con el hallazgo del bosón de Higgs, pero las demás aún están ahí.

¿Cuándo se pueden esperar los primeros resultados llamativos de esta segunda etapa?

Para conseguir resultados sobre el bosón de Higgs con la más alta precisión se necesitarán varios años de toma de datos, por eso este proyecto del LHC se extenderá durante los próximos 15 o 20 años. ¿Descubrimientos sobre nueva física? Bueno, eso está en manos de la naturaleza. Si esta nueva física se produce en abundancia a la energía del LHC, entonces podría producirse un gran descubrimiento relativamente rápido. En cambio, si es difícil de encontrar, puede llevar mucho tiempo. Todo está en manos de la naturaleza. Pero los seres humanos estamos dando el máximo.

Si tuviera que apostar cuándo y qué se descubrirá...

Soy física experimental, sinceramente, yo no apuesto. Estoy abierta a lo que decida la naturaleza.

Pero, ¿qué preferiría usted?

Le diré dos preferencias. La primera sería que llegamos a encontrar la partícula que explique la materia oscura. Eso nos permitiría dar un enorme salto en nuestro conocimiento del Universo, desde el 5% que conocemos hoy hasta casi el 30%. Y la otra sería encontrar algo que sea completamente nuevo, algo que no esperemos en absoluto. Algo que no encaje con ninguna de las teorías que el ser humano ha desarrollado, porque creo que la naturaleza es más inteligente que el ser humano, más elegante, más simple...

¿Echó de menos una mayor atención del comité del Nobel al CERN cuando le concedieron el galardón a Higgs y Englert?

Los físicos teóricos que predijeron la existencia de la partícula merecen el premio Nobel. Creo que el papel de los experimentos en el LHC se ha demostrado por el hecho de que el premio Nobel sólo ha sido concedido después del descubrimiento. Pero también en la motivación que cita el comité del Nobel se nombra de forma explícita a los dos experimentos, ATLAS y CMS, que realizaron el hallazgo. Y eso es una gran satisfacción.

¿Sigue adelante el proyecto para construir un nuevo acelerador de mayores dimensiones?

En este momento, sí. Ese proyecto está aún en la fase de realización de los estudios del diseño conceptual. Tenemos planeado terminar los estudios sobre la viabilidad de este proyecto para finales de esta década, sobre 2019. Y entonces la comunidad europea volverá a reunirse para discutir lo que llamamos la estrategia europea de física de partículas, que se celebra cada cinco o seis años.

¿Y se está manejando ya alguna cifra de lo que podría costar?

Claramente requerirá un esfuerzo mucho mayor del que se necesitó para el proyecto del LHC. Supondría un reto desde el punto de vista tecnológico y también científico. Estamos explorando todas las posibilidades para el futuro, pero claramente esta es una de las más interesantes. Pero los resultados del LHC nos irán guiando.

¿Si todo va bien, cuándo podría ser una realidad este gran acelerador de 100 kilómetros de circunferencia?

Dentro de unos 25 años desde hoy. Estos proyectos llevan muchísimo tiempo. Las primeras discusiones sobre el LHC empezaron en 1984 y no comenzó a operar hasta 2009.

¿Qué hallazgos permitiría un acelerador de estas características?

Un anillo mayor nos permitiría dar otro gran salto de energía, multiplicando la actual por siete. Y eso nos aporta mayores probabilidades de descubrir nueva física.

¿Cómo está la deuda de España con el CERN?

Va muy bien y me consta que España está haciendo muchos esfuerzos, no sólo desde el punto de vista del presupuesto, sino también aportando cerebros, tecnología, gente joven, experiencia y una gran competencia. El LHC y los experimentos son de alguna forma el resultado también de la contribución fuerte y de gran calidad que ha realizado España.

 

Fuente: http://www.elmundo.es/ciencia/2016/01/12/56940d09268e3ec7088b4573.html

Misteriosas señales de radio ponen a prueba el principio de equivalencia

Artículo publicado por Barbara Kennedy el 4 de enero de 2016 en Penn State News

Una nueva forma de poner a prueba uno de los principios básicos subyacentes a la teoría general de la relatividad de Einstein es usar breves estallidos de unas raras señales de radio procedentes del espacio, conocidas como Fast Radio Bursts (Estallidos Rápidos de Radio – FRBs por sus siglas en inglés), y es de 10 a 100 veces mejor que los métodos anteriores de prueba, que usaban estallidos de rayos gamma, de acuerdo con un artículo publicado en la revista Physical Review Letters. El artículo recibió una mención adicional como “Sugerencia del Editor” debido a “su particular importancia, innovación, y amplio interés”, de acuerdo con el editor de la revista.

Albert Einstein

El nuevo método está considerado como un significativo tributo a Einstein en el centésimo aniversario de su formulación del Principio de Equivalencia, que es un componente clave de la teoría general de la relatividad de Einstein. Más generalmente, también es un componente clave de la idea de que la geometría del espacio-tiempo está curvada por la masa de galaxias, estrellas, planetas y otros objetos.

Los FRBs son estallidos de energía muy breves, apenas duran unos milisegundos. Hasta el momento, sólo se habían detectado en la Tierra apenas una docena de FRB. Parecen estar provocados por misteriosos eventos más allá de nuestra galaxia de la Vía Láctea y, posiblemente, más allá del Grupo Local de galaxias que incluye a la Vía Láctea. La nueva técnica será importante para analizar las abundantes observaciones de FRBs que los observatorios avanzados de radio, actualmente en proceso de planificación, esperan detectar.

“Con una abundante información observacional en el futuro, podemos lograr una mejor comprensión de la naturaleza física de los FRBs”, señala Peter Mészáros, que ostenta la Cátedra Eberly Family en Astronomía y Astrofísica y es Profesor de Física en la Universidad Estatal de Pennsylvania, autor senior del artículo de investigación. Al igual que otras formas de radiación electromagnética, que incluye la luz visible, los FRBs viajan por el espacio como ondas de partículas fotónicas. El número de crestas de onda que llegan desde los FRBs cada segundo, su frecuencia, está en el mismo rango que las señales de radio. “Cuando unos detectores más potentes nos proporcionen unas observaciones mejores”, apunta Mészáros, “también podremos usar los FRBs como un método de sondeo de las galaxias que los albergan, del espacio entre las galaxias, de la estructura de la red cósmica del universo, y como una prueba de la física fundamental”.

El impacto de usar el nuevo método de FRBs se espera que aumente conforme se observen más estallidos, y si puede establecerse un origen más sólidamente. “Si se demuestra que los FRBs se originan fuera de la Vía Láctea, y su distancia puede medirse con precisión, proporcionarán una nueva y potente herramienta para poner a prueba el Principio de Equivalencia de Einstein y para extender el rango de energías probado hasta las frecuencias de la banda de radio”, explica Mészáros.

El Principio de Equivalencia de Einstein requiere que dos fotones de distintas frecuencias, emitidos a la vez desde la misma fuente, y viajando a través de los mismos campos gravitatorios, lleguen a la Tierra exactamente al mismo tiempo. “Si el Principio de Equivalencia de Einstein es correcto, cualquier retraso que pudiese darse entre estos dos fotones no se debería a los campos gravitatorios por los que pasan a lo largo de su viaje, sino que se debería a otros efectos físicos”, señala Mészáros. “Midiendo la diferencia de tiempo con la que llegan dos fotones de distinta frecuencia, podemos poner a prueba lo bien que se cumple el Principio de Equivalencia de Einstein”.

Más específicamente, Mészáros comenta que la prueba que él y sus coautores desarrollaron, implica  un análisis de cuánta curvatura del espacio experimentaron los fotones debido a los objetos masivos que encontraron a lo largo o cerca de su camino por el espacio. Apunta que: “Nuestra prueba del Principio de Equivalencia de Einstein usando FRBs consiste en comprobar cuánto difiere un parámetro – el parámetro gamma – para los dos fotones con distintas frecuencias”.

Mészáros dijo que el análisis de su equipo de investigación de menos de una docena de FRBs detectados recientemente “mejora en uno o dos órdenes de magnitud los mejores límites anteriormente establecidos sobre la precisión del Principio de Equivalencia de Einstein”, que se basaron en rayos gamma y fotones de otras energías procedentes de una explosión de supernova de 1987, la supernova 1987A. “Nuestro análisis usando frecuencias de radio demuestra que el Principio de Equivalencia de Einstein se mantienen en una parte en cien millones”, apunta Mészáros. “Este resultado es un significativo tributo a la teoría de Einstein, en el centésimo aniversario de su formulación”.

Fuente:http://www.cienciakanija.com/2016/01/08/misteriosas-senales-de-radio-ponen-a-prueba-el-principio-de-equivalencia/

Se observan, tal vez, extrañas fluctuaciones cuánticas del espacio vacío

Artículo publicado por Adrian Cho el 1 de octubre de 2015 en Science Magazine

El espacio vacío es de todo menos vacío, de acuerdo con la mecánica cuántica: en lugar de la nada, bulle con partículas cuánticas que aparecen y desaparecen continuamente. Ahora, un equipo de físicos afirma haber medido directamente dichas fluctuaciones, sin perturbarlas o amplificarlas. Sin embargo, otros dicen que no está claro qué mide exactamente el nuevo experimento — que podría encajar con un fenómeno que se origina en el famoso principio de incertidumbre de la mecánica cuántica.

“Existen muchos experimentos que han observado los efectos indirectos de las fluctuaciones del vacío”, señala Diego Dalvit, teórico en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México, que no estuvo implicado en el trabajo actual. “si éste [nuevo experimento] es correcto, sería la primera observación directa de [las fluctuaciones] de campo”.

Experimento sobre fluctuaciones del vacío Crédito: Adaptado de C. RIEK ET AL., SCIENCE (2015)

Gracias al principio de incertidumbre, el vacío bulle con pares de partículas-antipartículas que aparecen y desaparecen. Incluyen, entre muchos otros, los pares electrón-positrón y pares de fotones, que son sus propias antipartículas. Normalmente, esas partículas “virtuales” no pueden captarse directamente. Pero, como un fantasmal coro griego, ejercen sutiles influencias sobre el mundo “real”.

Por ejemplo, los fotones virtuales que aparecen y desaparecen constantemente producen un campo eléctrico fluctuante. En 1947, los físicos encontraron que el campo cambia los niveles de energía de un electrón dentro de un átomo de hidrógeno y, por tanto, el espectro de radiación que emite el átomo. Un año más tarde, el teórico holandés Hendrik Casimir predijo que el campo también ejercería una sutil fuerza sobre dos placas de metal separadas por un pequeño espacio, comprimiéndolas hasta unirlas. Esto se debe a que el campo eléctrico debe desaparecer en la superficie de las placas, por lo que sólo ciertas ondas del campo eléctrico pueden encajar entre ambas placas. Por contra, más ondas pueden empujarlas desde el exterior ejerciendo una fuerza neta. El efecto Casimir se observó por primera vez en 1997.

Pero ahora, Claudius Riek, Alfred Leitenstorfer, y sus colegas de la Universidad de Konstanz, en Alemania, dicen que han observado directamente esas fluctuaciones del campo eléctrico, cartografiando su influencia sobre una onda de luz. El experimento se basa en una técnica desarrollada para estudiar un pulso de luz más largo usando uno más corto disparando ambos simultáneamente a través de un cristal (ver diagrama de arriba). El pulso “de bombeo” más largo se polariza horizontalmente, lo que significa que el campo eléctrico en él oscila hacia los lados. El pulso “de sondeo” más corto se polariza verticalmente. Sin embargo, las propiedades del cristal dependen del campo eléctrico del mismo, por lo que el haz de bombeo provoca un cambio en la polarización del haz de sondeo que surge a partir del cristal trazando un patrón elíptico. Ajustando la sincronización de los pulsos, los investigadores pueden usar el efecto de polarización para cartografiar las oscilaciones del campo eléctrico en la onda de bombeo.

Pero las propias fluctuaciones del vacío afectarán al cristal y, por tanto, a la polarización del pulso de sondeo, señala Leitensdorfer. Por tanto, para medir las fluctuaciones del campo del vacío, “sólo pusimos el pulso de sondeo, y nada más”. De media, la polarización del pulso de sondeo aislado permaneció vertical. Pero a lo largo de muchas repeticiones variaba ligeramente, y este ruido era la señal de las fluctuaciones del vacío, según dice el equipo.

Observar el efecto no es una hazaña menor, dado que la polarización también varía debido a los cambios aleatorios del número de protones de cada pulso, o “ruido de disparo”. Para distinguir entre ambos, los físicos variaron la duración y anchura del pulso, pero no el número de fotones en el mismo. El ruido de disparo debería mantenerse constante, mientras que el ruido debido a las fluctuaciones cuánticas debería menguar conforme el pulso aumenta. Los investigadores apreciaron un cambio en el ruido, un efecto que atribuyen a las fluctuaciones del vacío.

Algunos físicos se cuestionan lo que realmente mide el nuevo experimento, no obstante. Los investigadores asumen que las propiedades ópticas fluctuantes del cristal reflejan las fluctuaciones del vacío, señala Steve Lamoreaux, físico de la Universidad de Yale y uno de los primeros en observar el efecto Casimir. Pero las variaciones en las propiedades ópticas del cristal podrían tener otro origen, como las fluctuaciones térmicas. “Las propiedades del material fluctuarán por sí mismas”, apunta, por tanto “¿cómo atribuir estas fluctuaciones sólo al vacío?”.

Además, el grupo de Leitenstorfer no es el primero en estudiar directamente tales fluctuaciones. En 2011, Christopher Wilson, físico en la Universidad de Waterloo, en Canadá y sus colegas, informaron en Nature de que habían aumentado las fluctuaciones del vacío y las habían convertido en fotones reales. En principio, esto puede hacerse acelerando un espejo que se mueve adelante y atrás hasta casi la velocidad de la luz. Wilson usó una analogía más práctica: un sistema en el cual la longitud efectiva de una pequeña cavidad superconductora podría modificarse electrónicamente. Leitenstorfer señala que el nuevo experimento se diferencia del de Wilson en que no requiere la amplificación de las fluctuaciones. Wilson responde que: “Aunque estoy de acuerdo en que es una diferencia, no creo que sea fundamental”.

Leitenstorfer sostiene que el nuevo trabajo ofrece un avance cualitativo sobre los anteriores. “Claramente, hemos dado un paso adelante en comparación con el resto en lo que respecta a medir la amplitud del campo eléctrico del vacío cuando fluctúa en el espacio y el tiempo”, señala. Otros no parecen tan seguros de ello

Fuente: http://www.cienciakanija.com/2015/11/28/se-observan-tal-vez-extranas-fluctuaciones-cuanticas-del-espacio-vacio/

Más pruebas para apoyar la ‘acción fantasmal a distancia’

Artículo publicado por Adrian Cho el 28 de agosto de 2015 en Science News

Es uno de los conceptos más extraños en el ya de por sí extraño campo de la física cuántica: medir la condición, o estado, de una partícula cuántica como un electrón puede cambiar instantáneamente el estado de otro electrón, incluso si se encuentra a años luz de distancia. Esta idea molestaba a Albert Einstein y otros, dado que sugería que algo puede viajar más rápidamente que la luz, y que la realidad, de algún modo, está determinada por las medidas que realizamos. Pero ahora, un equipo de experimentadores dice que ha cerrado el caso para este concepto, sellando una de las fisuras de anteriores demostraciones.

Entrelazamiento cuántico

“Éste es un artículo de referencia en la física cuántica”, expresa Howard Wiseman, físico de la Universidad Griffith en Nathan, Australia, que no estuvo implicado en el trabajo. “A partir de ahora no puede quedar ninguna duda razonable de que el mundo físico es profundamente diferente de nuestras intuiciones cotidianas”. Christopher Ferrie, físico de la Universidad de Sídney en Australia, señala que para muchos físicos, el problema ya se zanjó hace tiempo.”Si haces una encuesta entre los físicos de mi generación, o posteriores, no se inmutarán por ello”, comenta. El verdadero avance, especifica, está en la apertura del camino para las tecnologías de comunicación cuántica ultraseguras.

El experimento lo realizaron Ronald Hanson, físico de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, y sus colegas. Hanson declinó debatir sobre el artículo, que se publicó en el servidor de arXiv, dado que aún está bajo revisión por una revista que aún no se ha hecho pública.

El experimento implica un concepto conocido como entrelazamiento. Imagina un electrón. Al igual que una peonza, puede girar en un sentido (arriba) o en otro (abajo). Extrañamente, la teoría cuántica dice que el electrón puede también girar en los dos sentidos a la vez, aunque si lo mides, el estado cuántico “colapsará” de modo que tendrás al electrón girando en uno u otro sentido con igual probabilidad. Cómo se realiza esta medida es importante. De acuerdo con la teoría cuántica, no se puede simplemente leer el espín directamente; tienes que usar un analizador que puede fijarse, como el dial de una radio, hacia una orientación particular para ver si el electrón está girando en un sentido o en el contrario. En el caso del giro en ambos sentidos, fijar el analizador verticalmente lleva al electrón a colapsar en el resultado 50-50.

Aún más extraño es que dos electrones pueden entrelazarse de tal modo que el espín de cada electrón es totalmente desconocido, pero los dos están completamente vinculados y correlacionados entre sí. Supón que Alice y Bob comparten dos electrones entrelazados y cada uno tiene un analizador configurado verticalmente. Si Alice mide su electrón y encuentra que gira hacia arriba, sabrá instantáneamente que el de Bob gira hacia abajo, incluso si Bob está en otra galaxia. Esta “acción fantasmal a distancia” fue una molestia para Einstein, dado que sugiere que la onda cuántica que describe el colapso de los electrones viaja a una velocidad superior a la de la luz. También sugiere que la “realidad” del estado de giro de un electrón, la que puede conocerse del mismo, no está determinada hasta que se mide el electrón y la onda cuántica colapsa.

Einstein encontró esta idea difícil de aceptar. En lugar de esto, defendía que la mecánica cuántica estaba incompleta; básicamente, que existían “variables ocultas” codificadas en cada electrón pero fuera del ámbito de la teoría, que determinaban el resultado de la medida de Bob. Este concepto obvia el colapso a una velocidad superior a la de la luz, debido a que el factor de determinación viaja junto con el electrón de Bob. También se burla de la idea de que la medida revela algún aspecto del mundo que existe de manera independiente al mismo, de la misma forma que asumimos que existe el color de una pelota de tenis antes de mirarla.

Sin embargo, en 1964, el teórico británico John Bell encontró una forma de poner a prueba la diferencia entre el colapso de la onda cuántica y las variables ocultas. De acuerdo con la teoría cuántica, si Alice y Bob inclinan sus analizadores en ángulos diferentes, deberían dejar de ver esa correlación perfecta en sus medidas. Por ejemplo, supón que Alice mantiene su analizador vertical, y Bob inclina el suyo 45º. Entonces, si Alice halla que su electrón gira hacia arriba, la probabilidad de que Bob encuentre que su electrón gira hacia abajo, definida su nueva orientación, es de sólo el 71%. Bell imaginó que Alice y Bob variaron repetidamente la orientación de sus analizadores. Demostró matemáticamente que las variables ocultas generarían correlaciones más débiles que un cierto límite, definido en una fórmula conocida como desigualdad de Bell. El colapso de las ondas cuánticas podría arrojar correlaciones superiores. La fórmula ofreció una prueba fiable para determinar si las variables ocultas estaban realmente ahí.

Bell también explicó que el colapso de las ondas a velocidad superior a la de la luz no violaría necesariamente la prohibición de la relatividad respecto al viaje supralumínico. Dado que Alice no puede controlar el resultado de su medida, no puede usarla para enviar información a Bob más rápidamente que la luz. Ella y Bob simplemente pueden confirmar la correlación después del hecho. Esta es actualmente la interpretación estándar de la relatividad.

En la década de 1970, los experimentadores empezaron a tomar medidas diseñadas para ver si la desigualdad de Bell se mantenía. Consistentemente encontraron correlaciones más fuertes de lo que permitían las variables ocultas. Esos resultados, en general, convencieron a los físicos de que Einstein estaba equivocado. O las ondas cuánticas deben colapsar más rápidamente que la luz, o los resultados de las medidas no podían estar predeterminados por variables ocultas: hasta que no se realiza una medida sobre un electrón que gira en ambos sentidos, literalmente gira en ambos sentidos.

Sin embargo, realizar una prueba irrefutable del teorema de Bell es complejo, y en los últimos años los físicos se han preocupado por los “resquicios” que permitirían que algún otro efecto aparte del colapso instantáneo de la onda cuántica distorsionase los resultados. Ahora, Hanson y otros 18 colegas afirman hacer realizado la primera prueba sin fisuras del teorema de Bell.

Para poner a pruebas la idea de Bell, los físicos deben asegurarse de que no hay otra influencia aparte de las propias medidas que pueden viajar entre los electrones en el tiempo que se tarda en realizar las medidas. Esto es un toda una hazaña, dado que la luz viaja a 299 792 kilómetros por segundo. Hanson y sus colegas separaron las dos estaciones con sus electrones 1,28 kilómetros en el campus de Delft. Esto les daba 4,27 microsegundos para realizar ambas medidas antes de que una señal a la velocidad de la luz llegase de una estación a la otra.

Los investigadores aún tenían que entrelazar los electrones separados. Para hacer esto, primero entrelazaron cada electrón con el estado de un fotón que luego enviaron a través de una fibra óptica a una tercera estación entre las dos primeras. Sólo si los dos fotones llegaban simultáneamente e interferían entre sí de la forma adecuada, los electrones quedaban entrelazados a través de un proceso conocido como transferencia de entrelazamiento. Menos de uno de cada 150 millones de pares de fotones registraron la señal de interferencia correcta. Aun así, los investigadores pudieron empezar las medidas sobre los electrones antes del encuentro entre los fotones, y revisar posteriormente los datos para hallar los intentos que funcionaron. En el borrador informan de 245 ensayos con éxito tras 22 horas de toma de datos.

Finalmente, los físicos tienen que cerrar la fisura que se abre si no pueden leer fiablemente el estado de los electrones. Un error en dicha medida podría oscurecer las verdaderas correlaciones entre los espines de los electrones. Para superar este obstáculo, el equipo de Hanson usó electrones individuales atrapados en defectos de tamaño atómico en diamantes enfriados casi al cero absoluto. En estos defectos, los electrones pueden mantener fácilmente sus delicados espines y pueden ser manipulados con microondas y luz. Los físicos midieron el espín de cada electrón con una eficacia superior al 95%.

Con ambas fisuras cerradas, los investigadores ven una clara violación de la desigualdad de Bell, torpedeando las variables ocultas de Einstein y reivindicando el colapso de la onda cuántica. “La única preocupación significativa que se puede tener sobre este artículo es el pequeño conjunto de datos, lo que significa que el resultado no está tan asentado como idealmente nos gustaría”, comenta Wiseman. “Pero estoy seguro de que esto se rectificará pronto”.

Siempre es posible inventarse nuevos y alocados resquicios, señala Ferrie. Pero el experimento cierra los que podrían usarse para atacar ciertas tecnologías cuánticas en desarrollo, tales como los esquemas usados para entrelazar partículas para distribuir de forma segura claves para codificar mensajes secretos en lo que se conoce como “distribución de claves cuánticas independientes del dispositivo”. “Es un hito técnico enorme” dice Ferrie, “y un requisito previo para muchas futuras tecnologías cuánticas, que estamos seguros de que permitirán el estudio y una final comprensión de una nueva física”.

Fuente: http://www.cienciakanija.com/2015/09/07/mas-pruebas-para-apoyar-la-accion-fantasmal-a-distancia/

Takaaki Kajita: “La red de telescopios Cherenkov será clave en astrofísica de altas energías”

El japonés que este año ha sido laureado con el Nobel de Física participó el viernes en la ceremonia de primera piedra del mayor telescopio Cherenkov del hemisferio norte. Es el prototipo del LST, de 23 metros de diámetro, en el Observatorio del Roque de los Muchachos, en La Palma.

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De izquierda a derecha, Takaaki Kajita, director del Institute for Cosmic Ray Research (ICRR Tokio) y Juan Carlos Pérez Arencibia, administrador del Observatorio del Roque de los Muchachos. Créditos: Antonio González/IAC.

Japón y España fueron los protagonistas del acto celebrado el pasado viernes en La Palma, donde se presentó el prototipo del LST, siglas en inglés del Large Size Telescope. Con sus 23 metros de diámetro, será el mayor telescopio Cherenkov del hemisferio norte. A la ceremonia, que tuvo lugar en el Observatorio del Roque de los Muchachos, asistió el nuevo Nobel de Física, el japonés Takaaki Kajita, director del Institute for Cosmic Ray Research en Tokio.

Takaaki Kajita, que comparte el premio Nobel con Arthur B. McDonald por su descubrimiento de la oscilación de los neutrinos, afirmó que la red de telescopios Cherenkov (CTA, por sus siglas en inglés), “será el proyecto científico clave en el campo de la astrofísica de altas energías y rayos cósmicos, y debería llevarse a cabo con un esfuerzo común”.

Permitirá la búsqueda de materia oscura y el estudio de la posible estructura cuántica del espacio-tiempo

Las dimensiones del telescopio LST son enormes. Además del gran espejo, la cámara con la que se detecta la luz de los rayos gamma es de 3 metros de diámetro y es una de las más complejas y rápidas del mundo. Esta cámara se ensamblará y pondrá a punto en el Institut de Física d’Altes Energies con tecnología desarrollada en todos los grupos españoles que forman parte de la colaboración.

Una ventana al universo más violento y extremo

El prototipo del telescopio LST, que servirá para validar los telescopios de gran formato de CTA, podría convertirse en el primer telescopio de esta red cuando se concluya el acuerdo para que CTA-Norte se instale en la isla de La Palma. CTA será una nueva gran infraestructura científica equipada con un centenar de telescopios repartidos en dos observatorios (norte y sur), en la que participan más de treinta países y unos 1.500 científicos e ingenieros. Su objetivo es el estudio de la astrofísica de rayos gamma de muy alta energía, que permite conocer el universo más violento y extremo.

Los telescopios Cherenkov no detectan directamente los rayos gamma, sino sus efectos cuando interaccionan con las partículas de la atmósfera terrestre generando una cascada electromagnética. Este tipo de radiación permite estudiar los procesos físicos que liberan más energía en el universo, entre los que se encuentran las explosiones de supernova, los agujeros negros, los microcuásares, los núcleos activos de galaxias y los estallidos de rayos gamma. Permitirá la búsqueda de materia oscura y el estudio de la posible estructura cuántica del espacio-tiempo.

Representación artística de los cuatro LST propuestos para CTA-Norte. Crédito: IFAE, Consorcio CTA.

Amplia participación española

España y Japón son, junto con Alemania, los mayores contribuyentes del consorcio LST, en el que también participan Francia, Italia, Brasil, Suecia, India y Croacia. En España forman parte de la colaboración el Institut de Física d’Altes Energies, el Institut de Ciencies de l’Espai, el Centro de Investigaciones Medioambientales y Tecnológicas, el Institut de Ciencies del Cosmos y la Universidad Complutense de Madrid.

España y Japón son, junto con Alemania, los mayores contribuyentes del consorcio

Durante la ceremonia, Fernando Clavijo, presidente del Gobierno de Canarias, descubrió una placa conmemorativa con el diseño y las principales características del telescopio. En ella intervinieron, además de Kajita, Rafael Rebolo, director del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC); Martín Taño, alcalde de Garafía; Anselmo Pestana, presidente del Cabildo de La Palma; Carmen Vela, secretaria de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación y Kazuhiko Koshikawa, embajador de Japón.

El investigador principal del telescopio, Masahiro Teshima (miembro del ICRR Tokio y director del Instituto Max Planck de física de Múnich) y Manel Martínez (miembro del IFAE, presidente del comité directivo del LST) explicaron las principales características del telescopio y su importancia en la investigación de los rayos gamma cósmicos.

De izquierda a derecha, Fernando Clavijo, presidente del Gobierno de Canarias; Masahiro Teshima, miembro del ICRR Tokio y director del Instituto Max Planck de física de Múnich; Carmen Vela, secretaria de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación; Francisco Sánchez, director fundador del IAC; Anselmo Pestana, presidente del Cabildo de La Palma; y Martín Taño, alcalde de Garafía; observan la placa conmemorativa de la primera piedra del prototipo del LST. Créditos: Antonio González/IAC

Fuente: http://www.agenciasinc.es/Noticias/Takaaki-Kajita-La-red-de-telescopios-Cherenkov-sera-clave-en-astrofisica-de-altas-energias

Nobel de Física para dos pioneros en el estudio de los neutrinos, las partículas elementales más escurridizas

Premio Nobel de Física para dos pioneros en el estudio de las partículas elementales de la materia

Los neutrinos saltaron a la fama hace tres años, cuando un equipo de científicos sugirió que viajaban más rápido que la luz, poniendo en entredicho la Teoría de la Relatividad. Nuevos experimentos demostraron pronto que los científicos del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) que llevaron a cabo esas mediciones estaban equivocados. Sus sorprendentes resultados, que apuntaban a que los neutrinos eran 60 nanosegundos más veloces que la luz, se debieron a un error. Albert Einstein seguía teniendo razón.
Pese al fiasco, estas escurridizas y abundantes partículas elementales no han perdido un ápice de interés para los científicos. De hecho, han sido las protagonistas del Nobel de Física 2015, que ha sido concedido a los dos investigadores que descubrieron las oscilaciones de los neutrinos y demostraron que estas partículas tienen masa (durante mucho tiempo se pensó que no la tenían). El japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur B. McDonald comparten este año el prestigioso galardón.
El mundo está lleno de neutrinos. Están por todas partes, aunque no podamos verlos o sentirlos (por eso también se les conoce como partículas fantasma). Después de los fotones (partículas de luz), son los más abundantes en el cosmos. La Tierra está siendo constantemente bombardeada por ellos.

Partículas camaleónicas

Su origen es diverso. Muchos se forman a partir de reacciones entre la radiación cósmica y la atmósfera terrestre. Otros tienen su origen en las reacciones nucleares que tienen lugar en el interior del Sol. Tras décadas de estudio, los científicos averiguaron que son partículas camaleónicas, es decir, se transforman durante su viaje a la Tierra, o como dicen los investigadores, cambian de identidad. Y si sabemos todo esto, es en gran parte gracias a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald.
«Para entender las oscilaciones de neutrinos, uno de los campos más activos en la Física de Partículas, es necesario saber que hay tres identidades de neutrinos: electrónica, muónica y tauónica. Si no tuviera masa, un neutrino creado con una identidad la mantendría durante toda su existencia», explica José Ignacio Crespo Anadón, investigador del CIEMAT, el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas.

El detector Super-Kamiokande de Japón. ICRR

Durante la rueda de prensa que ofreció el martes por la mañana desde su casa, McDonald, que sigue activo a sus 73 años, calificó como un «momento Eureka» la captura de neutrinos en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO), construido en las profundidades de una mina de Ontario.
Y es que para poder detectarlos e investigar su naturaleza, ha sido necesario disponer de grandes detectores subterráneos, donde se han desarrollado los experimentos liderados por los dos premiados: el detector Super-Kamiokande de Japón, y el SNO de Canadá. Instalaciones que Michel Sorel, investigador del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto de la Universidad de Valencia y del CSIC, define como «catedrales de la física».
Corría el año 1998 cuando Takaaki Kajita presentó su descubrimiento de que los neutrinos parecían sufrir una metamorfosis cuando eran detectados en el Super-Kamiokande.
Posteriormente, el equipo que Arthur B. McDonald lidera en Canadá demostró que los neutrinos que proceden del Sol no desaparecen durante su viaje a la Tierra. Los capturaron cuando llegaron al Observatorio de Neutrinos Subdury, aunque vieron que habían sufrido una metamorfosis. Así, los científicos pudieron resolver el puzle de los neutrinos.
«Fue un juego de equipo. Los japoneses detectaron la anomalía y los canadienses la explicaron», resume el luxemburgués Michel Sorel, que considera que se trata de un «Nobel hipermerecido».
«Interaccionan de manera muy débil. Aunque hay miles de millones de neutrinos, atraviesan todo sin dejar casi señal. Por eso, para observar una fracción muy pequeña de los neutrinos que llegan hacen falta detectores muy grandes», explica María Chamizo, investigadora del CIEMAT y del experimento CMS del gran detector LHC del CERN.
«Son las partículas más ligeras que conocemos. Y sospechamos que el hecho de que sean tan poco masivas puede estar relacionado con una física que va más allá del Modelo Estándar, que es una teoría que se ha desarrollado a lo largo del siglo pasado y de este, y que lo explica todo. Sin embargo, sabemos que faltan cosas. Y estamos buscando precisamente esas desviaciones», explica Juan José Hernández, director del IFIC e investigador del telescopio de neutrinos KM3NET, que está siendo desplegado en Sicilia y el sur de Francia. «Los neutrinos son el primer indicio de que hay física más allá del Modelo Estándar», añade. «Sospechamos que los neutrinos guardan información sobre la asimetría que hay en el Universo entre materia y antimateria», señala.
Estas partículas también tienen implicaciones para la cosmología y la astrofísica: «Los primeros neutrinos se produjeron durante el Big Bang, por lo que contienen información de los primeros instantes del Universo y de cómo ha evolucionado, pues se producen también en otras reacciones, en el Sol, en explosiones de supernova...», señala Chamizo. La investigadora considera que el Nobel de este año, que se suma al que hace dos años premió a Peter Higgs y François Englert por la teoría del bosón de Higgs, «es un reconocimiento al trabajo de los físicos de partículas».
Pero sobre los neutrinos todavía planean muchos interrogantes, y para responderlos, dice Juan José Hernández, en los últimos años han surgido gran cantidad de experimentos:«Desconocemos todavía muchas cosas. Por ejemplo, su masa. Sabemos que son ligerísimos pero no sabemos cuánto. También desconocemos su naturaleza, ¿es su propia antipartícula», enumera.
El lunes se falló el Premio de Medicina, que ha sido otorgado a William C. Campbell y Satoshi Omura por descubrir una nueva terapia contra infecciones de lombrices redondas (nemátodos) y Youyou Tu por desarrollar un tratamiento novedoso contra la malaria.

LOS PREMIADOS

Takaaki Kajita. Nacido en 1959 en la ciudad de Higashimatsuyama, Japón. Se doctoró en 1986 en la Universidad de Tokio. Es director del Instituto para la Investigación de la Radiación Cósmica y profesor de la Universidad de Tokio. Arthur B. McDonald. Nació en 1943 en Sydney, Canadá. Se doctoró en 1969 en el Instituto de Tecnología de California, en Pasadena, EEUU. Actualmente es profesor emérito en la Universidad de Queen, en Kingston, Canadá.

Fuente: http://www.elmundo.es/ciencia/2015/10/06/5613975c22601dd4168b457d.html