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Neutrinos ¿más rápidos que la Luz?


¿Pueden las partículas viajar más rápido que la velocidad de la luz? La mayoría de los físicos diría un rotundo “no”, invocando la teoría especial de la relatividad de Einstein, la cual prohíbe los viajes superlumínicos. Pero ahora, los físicos que trabajan en el experimento OPERA en Italia, puede que hayan encontrado pruebas tentadoras de que los neutrinos pueden superar la velocidad de la luz.

El equipo de OPERA disparó neutrinos muón desde el Sincrotrón Súper Protón en el CERN en Ginebra, a una distancia de 730 kilómetros bajo los Alpes hacia un detector en Gran Sasso, en Italia. El equipo estudió más de 15 000 eventos de neutrinos y encontró que indican que los neutrinos viajan a una velocidad de 20 partes por millón por encima de la velocidad de la luz.

El principio de la medida es simple – los físicos saben la distancia recorrida y el tiempo que han necesitado para recorrerla, lo que da la velocidad. Estos parámetros se midieron usando GPS, relojes atómicos y otros instrumentos, lo que dio la distancia entre la fuente y el detector con un error menor de 20 cm y para el tiempo de menos de 10 ns.

Ésta no es la primera vez que un experimento de neutrinos ha vislumbrado una velocidad superlumínica. En 2007 el experimento MINOS en los EE.UU. observó 473 neutrinos que viajaron desde Fermilab cerca de Chicago a un detector en el norte de Minnesota. Los físicos de MINOS informaron de una velocidad similar a la observada por OPERA, pero su incertidumbre experimental era mucho más grande. Según los investigadores de OPERA, su medición de la velocidad del neutrino es 10 veces mejor que los anteriores experimentos con aceleradores de neutrinos.

“Este resultado es totalmente inesperado”, destaca Antonio Ereditato de la Universidad de Berna y portavoz del experimento OPERA. “Meses de investigación y verificación no han sido suficientes para identificar un efecto instrumental que podría explicar el resultado de nuestras medidas”. Aunque los investigadores participantes en el experimento continuarán su trabajo, esperan comparar sus resultados con los de otros experimentos con el fin de evaluar plenamente la naturaleza de esta observación.

A pesar de que un error de medición puede ser la causa del sorprendente resultado, algunos físicos creen que la velocidad superlumínica podría ser posible. Su descubrimiento podría ayudar a los físicos a desarrollar nuevas teorías – tales como la Teoría de Cuerdas – más allá del Modelo Estándar de la física de partículas. Sin embargo, las mediciones de OPERA tendrán que reproducirse en otros lugares antes de ser aceptadas por la comunidad científica.

Jenny Thomas, del University College de Londres, que trabaja en MINOS, dijo: “El impacto de esta medida, de ser correcta, sería enorme. De hecho, daría un vuelco a todo lo que creíamos entender acerca de la relatividad y la velocidad de la luz”.

Alexei Smirnov, físico de alta energía en el Centro Internacional Abdus Salam de Física Teórica, en Italia, dice que encuentra el resultado OPERA “extremadamente sorprendente”, ya que mientras podría haberse esperado alguna pequeña desviación, la desviación observada es muy grande – mucho más grande de lo que se esperaría incluso a partir de las teorías más exóticas. “Si se demuestra que este resultado es cierto, las consecuencias para la ciencia moderna, sin duda, serían enormes”, dice. Está de acuerdo con la conclusión de la colaboración OPERA sobre que deberían buscarse efectos sistemáticos desconocidos actualmente y que deben continuar las observaciones. Smirnov fue uno de los tres investigadores que descubrieron el efecto “materia-masa”, que modifica las oscilaciones de neutrinos en la materia.

Se observa a continuación una fotografía de la instalación correspondiente al Detector Atlas del Acelerador LHC del CERN en Suiza.

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¿Los Taquiones existen?


Si no hay nada más rápido que la luz, ¿qué son los taquiones, que al parecer se mueven más deprisa que ella?

La teoría especial de la relatividad de Einstein dice que es imposible hacer que ningún objeto de nuestro universo se mueva a una velocidad mayor que la de la luz en el vacío. Haría falta una cantidad infinita de energía para comunicarle una velocidad igual a la de luz, y la cantidad «plus quam infinita» necesaria para pasar de ese punto sería impensable.

Pero supongamos que un objeto estuviese moviéndose ya más deprisa que la luz.

La luz se propaga a 299.793 kilómetros por segundo. Pero, ¿qué ocurriría si un objeto de un kilogramo de peso y de un centímetro de longitud se estuviera moviendo a 423.971 kilómetros por segundo? Utilizando las ecuaciones de Einstein comprobamos que el objeto tendría entonces una masa de (-R2 de -1) kilogramos y una longitud de (+ R2 de -1) centímetros.

O dicho con otras palabras: cualquier objeto que se mueva más deprisa que la luz tendría que tener una masa y una longitud expresadas en lo que los matemáticos llaman «números imaginarios». Y como no conocemos ninguna manera de visualizar masas ni longitudes expresadas en números imaginarios, lo inmediato es suponer que tales cosas, al ser impensables, no existen.

Pero en el año 1967, Gerald Feinberg, de la Universidad de Columbia, se preguntó si era justo proceder así. (Feinberg no fue el primero que sugirió la partícula; el mérito es de O. M. Bilaniuk y E. C. G. Sudarshan. Pero fue Feinberg quien divulgó la idea.) Pudiera ser, se dijo, que una masa y una longitud «imaginarias» fuesen simplemente un modo de describir un objeto con gravedad negativa (pongamos por caso): un objeto que, dentro de nuestro universo, repele a la materia en lugar de atraerla gravitatoriamente.

Feinberg llamó «taquiones» a estas partículas más rápidas que la luz y de masa y longitud imaginarias; la palabra viene de otra que en griego significa «rápido». Si concedemos la existencia de estos taquiones, ¿podrán cumplir los requisitos de las ecuaciones de Einstein?

Aparentemente, sí. No hay inconveniente alguno en imaginar un universo entero de taquiones que se muevan más deprisa que la luz pero que sigan cumpliendo los requisitos de la relatividad. Sin embargo, en lo que toca a la energía y a la velocidad, la situación es opuesta a lo que estamos acostumbrados.

En nuestro universo, el «universo lento», un cuerpo inmóvil tiene energía nula; a medida que adquiere energía va moviéndose cada vez más deprisa, y cuando la energía se hace infinita el cuerpo va a la velocidad de la luz. En el «universo rápido», un taquión de energía nula se mueve a velocidad infinita, y cuanta más energía adquiere más despacio va; cuando la energía se hace infinita, la velocidad se reduce a la de la luz.

En nuestro universo lento ningún cuerpo puede moverse más deprisa que la luz bajo ninguna circunstancia. En el universo rápido, un taquión no puede moverse más despacio que la luz en ninguna circunstancia. La velocidad de la luz es la frontera entre ambos universos y no puede ser cruzada.

Pero los taquiones ¿realmente existen? Nada nos impide decidir que es posible que exista un universo rápido que no viole la teoría de Einstein, pero el que sea posible no quiere decir que sea.

Una posible manera de detectar el universo rápido se basa en la consideración de que un taquión, al atravesar un vacío con velocidad superior a la de la luz, tiene que dejar tras sí un rastro de luz potencialmente detectable.

Naturalmente, la mayoría de los taquiones irían muy, muy deprisa, millones de veces más deprisa que la luz (igual que los objetos corrientes se mueven muy despacio, a una millonésima de la velocidad de la luz).

Los taquiones ordinarios y sus relámpagos de luz pasarían a nuestro lado mucho antes de que nos pudiésemos percatar de su presencia. Tan sólo aquellos pocos de energía muy alta pasarían con velocidades próximas a la de la luz. Y aún así, recorrerían un kilómetro en algo así como 1/300.000 de segundo, de modo que detectarlos exigiría una operación harto delicada.

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El Bosón de Higgs


En la escuela nos explicaron que los átomos están hechos de protones, neutrones y electrones.

Bien. Continúa siendo así. Salvo que a lo largo del siglo XX se fue descubriendo que los protones y los neutrones están hechos de unas partículas todavía más pequeñas llamadas quarks, y que a escala subatómica existen también otras partículas elementales como muones, bosones, neutrinos…

Los físicos clasifican todas estas partículas en dos grandes tipos: partículas de materia y partículas de fuerza.

- Las partículas de materia (fermiones) son, para entendernos y pidiendo desde ya perdón a los físicos, las que constituyen la parte “sólida” de los átomos. Estas son los quarks, neutrinos, el electrón, el muón, y el tau.

- Las partículas de fuerza (bosones) son justo las encargadas de transmitir fuerzas entre estas partículas “sólidas”. Por ejemplo el fotón estaría asociado a la fuerza electromagnética, el gluón a la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a protones y neutrones en el centro del átomo, los bosones W y Z están asociados a la fuerza nuclear débil también dentro del núcleo atómico, y se especula que podría existir una partícula llamada gravitón que sería la responsable de la fuerza de la gravedad.

Toda esta comprensión a nivel subatómico sobre la estructura y leyes de la materia se fue conformando a lo largo del siglo XX, hasta ir construyendo el típico cuadro del “modelo estándar” que se ve representado en la imagen al final de esta nota.

Todo iba encajando muy bien. Pero a principios de los años 60 había una enorme duda por explicar: ¿Por qué algunas partículas como el fotón no tenían masa, otras como el electrón poquísima, y algunos quarks mucha?

Puedes pensar “porque son más grandes!”, pero en realidad esta explicación no sirve a escalas suabtómicas. Hablar de tamaño o composición no tiene demasiado sentido a nivel cuántico. De hecho aunque así lo dibujemos, un quark no sería necesariamente más “grande” o “denso” que un electrón. La pregunta estaba abierta y era muy profunda: ¿Qué es lo que da masa a las partículas? ¿Qué es en realidad la masa? ¿Por qué un muón “pesa” muchísimo más que un neutrino?

Entonces Peter Higgs, François Englert y Robert Brout entre otros propusieron la siguiente hipótesis: al igual que un submarinista está rodeado de agua, y si desplaza la mano en vertical nota más resistencia que si la desplaza estando plana, a nivel subatómico quizás todo está permeado por un medio llamado “campo de Higgs”, que “frena” más a algunas partículas que a otras. Y cuanto más se frena una partícula por el campo de Higgs, más masa tiene. Por ejemplo, el fotón no interacciona nada con el campo de Higgs y por eso su masa es cero. Un electrón interacciona muy poco y su masa es mínima, y un quark “se frena” mucho y por eso contiene más masa. De esta manera, la masa no sería tanto una propiedad intrínseca de la partícula, como un resultado de la interacción con el campo de Higgs.

Pero; ¿de qué está hecho el campo de Higgs? Bueno, pues de la misma manera que el agua está hecha de moléculas de H2O que no podemos ver, el campo de Higgs podría estar formado por unas partículas de fuerza todavía desconocidas que llamaron “bosones de Higgs”.

Los fotones no interaccionan con los bosones de Higgs, y por eso no tienen masa. El quark “top” –por ejemplo- interacciona mucho más con los bosones de Higgs que el quark “up”, y por eso es casi 100.000 veces más pesado. Insisto: no es que sea 100.000 veces más “grande” o más “denso”, sino que interacciona (“es frenado”) de manera mucho más fuerte por los bosones de Higgs. Este freno es la propiedad que llamamos masa.
Esto lo propuso de manera teórica Peter Higgs en 1964. La hipótesis tenía lógica, las matemáticas la permitían, sus colegas físicos parecían respaldarla, poco a poco se fue viendo que encajaba perfectamente con el modelo estándar, y se construyó la idea de que los bosones de Higgs podían ser los responsables de la masa.

Pero… ¿existían realmente los bosones de Higgs? En esos momentos era imposible averiguarlo. Era como intentar ver una bacteria antes del microscopio. No fue hasta la llegada del acelerador de partículas LHC en el CERN que existió una máquina con la capacidad energética suficiente para detectarlos.

De manera muy burda, lo que hizo el LHC para buscar el Higgs fue hacer chocar protones de frente a velocidades descomunales, con el objetivo de generar instantes de enorme energía y ver qué partículas aparecían. Las colisiones del LHC son tan brutales que por unos zeptosegundos se reproducen las condiciones del Big Bang y se forman nuevas partículas subatómicas.
Entonces, gracias a unos enormes imanes superconductores, después del choque cada tipo de partícula sale en una dirección y con unas propiedades determinadas. Y con diferentes tipos de detectores, los físicos del LHC pueden saber qué partículas se han creado en cada colisión.

Hasta hace poco los aceleradores de partículas no podían acelerar tanto los protones como para que chocaran tan fuerte que se produjeran bosones de Higgs. Cuando hace 2 o 3 años el potencial del LHC lo permitió, los físicos empezaron el arduo camino de ir buscando el Higgs por el rango de energía que se suponía debía estar.

Tardó un poco, pero en julio de 2012 el CERN anunció haber detectado una partícula tipo bosón que parecía coincidir con la predicha de manera teórica por Peter Higgs en 1964. Se hicieron más pruebas, y en el período de abril a junio del año 2013 confirmaron que efectivamente era el bosón de Higgs; la partícula responsable de que el resto de partículas tengan masa. Y por ello Higgs y Englert recibieron el Premio Nobel.

En la ilustración inferior se puede observar el esquema correspondiente a la Simetría Estándar, el Bosón de Higgs se encuentra en el centro.

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Partículas Elementales en el LHC


El gran colisionador de partículas del CERN (Large Hadron Collider o LHC por sus siglas en inglés) llevaba dos años cerrado por reformas. El pasado 9 de diciembre comenzaron las operaciones para despertar esta gran maquinaria con un nuevo objetivo: descubrir pruebas de la materia supersimétrica.

En física de partículas, la supersimetría es un modelo teórico que asegura que a cada partícula de las que conocemos (bosones y fermiones) les corresponde una partícula compañera supersimétrica. Por supuesto, aún no hemos sido capaces de observar estas superpartículas, pero su existencia complementaría el actual modelo de física cuántica y explicaría muchas incógnitas actuales que no encajan en el sistema que conocemos.

El profesor de física cuántica en la Universidad de Berkeley, California, y miembro del equipo Atlas del CERN Beate Heinemann, no duda en calificar la materia supersimétrica como un descubrimiento que dejaría pequeño al bosón de Higgs. ¿Cuándo podríamos tener la primera prueba de esta nueva familia de partículas? Pues quizá tan pronto como este mismo año si tenemos suerte.

Para hacer frente a los nuevos retos de esta nueva temporada, el LHC ha sido objeto de no pocas mejoras que, en esencia, han duplicado su potencia. Esta infografía creada por el CERN especifica cuáles han sido esos cambios:

1) Nuevos imanes: 18 de los 1.232 dipolos superconductores del acelerador han sido reemplazados para sustituir a otros ya gastados o levemente dañados.

2) Conexiones más fuertes: Más de 10.000 conectores entre dipolos se han reforzado con piezas de metal que funcionan como rutas alternativas de conexión para la corriente de 11.000 amperios en caso de fallo.

3) Imanes más seguros: Un nuevo sistema de enfriamiento permite a los imanes disipar la energía con más eficiencia en caso de cambios imprevistos en el voltaje.

4) Haces de energía más potentes: En 2015, las colisiones de partículas serán de 13 TeV frente a los 8 TeV de 2012. Esto dará a los científicos más tiempo para buscar partículas o para demostrar teorías como la de la supersimetría.

5) Haces más concentrados: Cuanto más energético es el haz, más concentrado en anchura está. Eso quiere decir que el número de interacciones entre partículas será mayor.

6) Paquetes de protones más pequeños próximos: Al haber menos protones en cada paquete de colisión, la imagen de lo que ocurre cuando colisionen será más clara. Además, se podrán disparar cada 25 nanosegundos en vez de cada 50.

7) Más voltaje para dar más energía a las partículas a su paso.

8) Mejor refrigeración: El sistema criogénico se ha reformado y ahora es más eficiente para enfriar los dipolos.

9) Sistemas electrónicos resistentes a radiación

10) Una cámara de vacío más segura: El interior de la cámara se ha recubierto de un nuevo material no evaporable que impide que los haces arranquen electrones de las paredes del acelerador, lo que causa desviaciones en las pruebas

Todavía quedan unos meses para que el acelerador de partículas que ganó el Nobel en 2013 gracias al bosón de Higgs comience a funcionar. De momento no hay una fecha exacta.[CERN vía Phys.org]


El descubrimiento de una nueva partícula elemental

El CERN suizo ha confirmado hoy el descubrimiento de una nueva clase de partícula subatómica conocidas como pentaquark. El hallazgo se ha producido gracias al experimento LHCb del Gran Colisionador de Hadrones. Y no solo supone el descubrimiento de una nueva partícula, también de una nueva estructura de la materia.

“Representa una forma de agregar los quarks, una forma que no se ha observado nunca antes durante más de 50 años de búsquedas experimentales. Estudiar sus propiedades podría permitirnos comprender mejor cómo está constituida la materia, los protones y neutrones de los que todos estamos hechos”. Así ha resumido en un comunicado Guy Wilkinson, portavoz del experimento LHCb, el importante hallazgo de hoy.

Los quarks son los constituyentes fundamentales de la materia. En esencia, son partículas subatómicas que se unen para formar partículas mayores, como los protones y los neutrones (formados por tres quarks). Los quarks fueron propuestos en 1964 por primera vez por el físico estadounidense Murray Gell-Mann, y su descubrimiento cambió para siempre la física.

Hasta ahora se sabía que los quarks no se encontraban aislados en la naturaleza, sino formando grupos de dos quarks, conocidos como mesones (pares de quarks hechos de materia y antimateria), de tres quarks, conocidos como bariones, o para formar también protones y neutrones. Sin embargo, desde hace años se especulaba que podrían llegar a componer otras formaciones, en concreto de cinco quarks, generando una partícula subatómica llamada hasta ahora pentaquark. Esta estaría formada por cuatro quarks de materia y uno de antimateria. Era solo teoría, no se había podido demostrar. Ahora, por primera vez en la historia, los científicos del CERN del experimento del LHCb han confirmado que los pentaquarks existen de verdad.

Para comprobar la existencia del pentaquark, los científicos observaron cómo bariones colisionando entre sí se descomponían en otras partículas, en concreto de un barión llamado Lambda b. A medida que se descomponían en otras tres partículas conocidas ya para los científicos, pudieron confirmar un periodo de transición en el que se generaban dos estados intermedios de la materia nunca observados hasta ahora.

“Utilizando la gran cantidad de datos recabados por el LHC, y la excelente precisión de nuestro detector, hemos examinado todas las posibilidades de estas señales, y concluido que solo se pueden explicar por los pentaquarks”, ha explicado en un comunicado Tomasz Skwarnicki, físico del CERN.

En definitiva, un importantísimo hallazgo científico que completa nuestros conocimientos sobre la física de partículas. Los investigadores ahora realizarán más experimentos para entender por completo cómo se unen los cinco quarks. No es el descubrimiento de la materia oscura que el CERN espera realizar en algún momento durante esta segunda etapa de actividad, pero es un enorme avance histórico.[CERN vía arXiv]

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