La historia de la ciencia y las lecciones para las ideas emergentes actuales

Fuente: Ciencia Kanija 

Artículo publicado el 11 de julio de 2012 en The Physics ArXiv Blog

Una mejor comprensión de los fracasos científicos del siglo XIX puede dar un crudo aviso sobre el valor del pensamiento científico predominante en la actualidad.

Dentro de cien años, los historiadores de la ciencia y la tecnología mirarán hacia nuestra época y se maravillarán de las teorías, experimentos y avances característicos de nuestro tiempo.

Pero también quedarán desconcertados por los callejones científicos sin salida de nuestra época: las teorías e ideas que quedaron en la cuneta debido a que resultaron estar mal planteadas, ser incorrecta o simplemente ser palabrería vacía.

Inevitablemente esto genera una interesante pregunta: ¿cuánto de lo que consideramos investigación establecida caerá en esta categoría de ciencia que es mejor olvidar?

Conferencia Solvay 1927 © by Metsuke iLife

Una forma de enfocar esta cuestión es examinar nuestra actitud ante la ciencia de finales del siglo XIX y principios del siglo XX.

La versión popular es algo así. Esta era estuvo caracterizada por la idea de que el universo podría ser descrito más o menos completamente por las leyes de la mecánica de Newton, las leyes de la termodinámica y la teoría electromagnética de Maxwell.

Todo estaba  bien, salvo por una o dos grietas menores que todos esperaban que pudiesen solventarse fácilmente. Por supuesto, esto finalmente llevó a dos de las mayores revoluciones del pensamiento científico: la teoría cuántica de Max Planck en 1900 y las teorías especial y general de la relatividad de Einstein unos años más tarde.

Sin embargo, esta versión popular subestima gran parte de la complejidad del debate científico de la época, no logra abarcar hasta qué punto muchas ideas científicas establecidas resultaron ser espectacularmente incorrectas. Estas ideas fueron ampliamente debatidas, muy apreciadas y, en muchos casos, contaban con un gran apoyo. Ahora estos callejones sin salida de la ciencia han sido olvidados desde hace mucho.

Hoy, Helge Kragh de la Universidad  de Aarhaus en Dinamarca pone las cosas en su sitio re-examinando la física de final de siglo y las ideas que predominaban en ella. Hay mucho que aprender de las historias que cuenta.

Un episodio olvidado en gran parte fue el desencanto general en esta época con la idea de ‘materia’. Varias líneas de pensamiento parecían sugerir que la idea de un universo atomista basado en unidades fundamentales de materia era errónea.

Por ejemplo, las leyes de la termodinámica sólo tenían sentido si los átomos eran cuerpos rígidos sin estructura interna. Aun así las pruebas procedentes de los experimentos espectroscópicos sugerían que los átomos debían tener estructura interna. La frase “la materia está muerta” se hizo muy popular como eslogan en esa época y claramente una de las dos tenía que ceder.

Una solución predominante a este problema se basó en la idea de que la materia no era una propiedad fundamental del universo, sino emergente. Esta coincidió con una creciente comprensión de que varias formas de energía – cinética, potencial, química, térmica, etc. – eran manifestaciones del mismo suceso. Por tanto, tal vez la materia no era también más que otra forma de energía.

Esta idea, que pasó a conocerse como energética, disfrutó de un fuerte apoyo durante muchos años. Mantenía la idea de que dado que las leyes de Newton podían describirse completamente en términos de energía, no había necesidad de la hipótesis del átomo. Esta fue una teoría de gran unificación del universo y uno de sus principales defensores fue Willhelm Ostwald, que más tarde ganaría el premio Nobel de química por su trabajo sobre los catalizadores.

En una charla en 1895, Ostwald dijo que: “El legado científico más prometedor que puede ofrecer el siglo que acaba es el reemplazo de la visión materialista del mundo por la visión energeticista”.

Otra solución llegó a través de la idea de éter luminífero, que predominó en el pensamiento científico de una forma que es difícil de imaginar en la actualidad.  ”El problema básico no era si el éter existía o no, sino la naturaleza del mismo y su interacción con la materia”, señala Kragh.

El éter estaba ampliamente aceptado como el cimiento básico del universo a partir del cual surgía el resto de cosas. Muchos físicos proclamaron que el éter sería la base para una teoría de gran unificación de todo, entre ellos, irónicamente, Albert Michelson.

Una teoría ampliamente debatida durante varios años y propuesta por William Thomson, también conocido como Lord Kelvin, postulaba que los átomos eran vórtices de éter. Curiosamente, los físicos nunca demostraron que esta idea fuese incorrecta. En lugar de ello, simplemente perdió fuelle.

Entonces se sucedieron varios descubrimientos que resultaron ser poco más que voluntarismo. El descubrimiento de los rayos-X por parte de William Roentgen en 1895 llevó al anuncio de una apabullante variedad de rayos, por ejemplo los rayos-N, la luz negra, los rayos de electricidad positiva, los rayos Moser, los rayos selénicos y los rayos magnéticos.

Todos ellos resultaron ser productos de las fértiles imaginaciones de los físicos implicados; el resultado de una especie de histeria de rayos.

Kragh describe otros episodios con fascinante detalle. Lo interesante, por supuesto, es hasta qué punto es posible establecer paralelismos entre las tendencias científicas de ese momento y las actuales.

En los últimos 20 años ha surgido un sentimiento cada vez mayor de que distintas formas de información – genética, digital, entrópica, etc. – son manifestaciones de lo mismo. Es más, hay un intenso interés en el papel que podría desempeñar la información en las leyes de la física. ¿Podría ser la información más fundamental que los conceptos de masa o incluso energía?. ¿Tal vez las leyes de la física deben derivarse a partir de sus propiedades, si es que podemos descifrarlas?

Luego tenemos la búsqueda de la materia oscura, una misteriosa sustancia que impregna el universo y que no podemos ver, sentir ni medir.

Y desde luego hay varias teorías del todo que se centran en unificar la mecánica cuántica y la relatividad que predicen varias dimensiones extra, otros universos e incluso una multitud de ellos.

¿Cuánto de esto parecerá irrelevante, extravagante o incorrecto en los próximos 100 años?  Es imposible decirlo pero los paralelismos con algunos de los episodios de hace un siglo dan para una entretenida especulación.

Kragh muestra claramente que sólo una pequeña fracción del debate científico predominante en la década de 1980 es relevante en la actualidad. Y no hay razón para pensar que no se cumplirá lo mismo cuando los historiadores revisen la ciencia de inicios del siglo XXI dentro de cien años.

---

Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1207.2016: A Sense Of Crisis: Physics In The Fin-De-Siècle Era
Fecha Original: 11 de julio de 2012
Enlace Original

Gotas que rebotan simulan el efecto Zeeman

Fuente: Ciencia Kanija

Físicos de Francia han usado pares de gotas que rebotan en la superficie de un fluido para simular el efecto Zeeman – un fenómeno que desempeñó un papel importante en el desarrollo inicial de la mecánica cuántica. La capacidad de simular efectos puramente cuánticos usando un sistema clásico podría proporcionar una visión a cómo deberían interpretarse las matemáticas de la mecánica cuántica.

¿Qué significa la ecuación de Schrödinger? La cuestión se ha debatido por parte de los físicos desde que este pilar básico de la mecánica cuántica hizo su aparición hace casi 90 años. Aunque su poder predictivo se ha verificado muchas veces en laboratorios de todo el mundo, cómo deberían interpretarse exactamente las soluciones a la ecuación (las funciones de onda) es algo que aún no está claro.

Imagen de dos caminantes

La escuela de pensamiento más popular es la famosa “interpretación de Copenhague”, formulada por Niels Bohr y Werner Heisenberg en la década de 1920. Esta interpretación probabilística de la mecánica cuántica sostiene que las propiedades observables de una partícula no tienen valores definidos hasta que se miden. No obstante, este enfoque no está universalmente aceptado, y otra interpretación de la mecánica cuántica apoyada por algunos físicos es la conocida como “onda piloto”, formulada por Louis de Broglie en 1927 y más tarde desarrollada por David Bohm. Esta asume que las propiedades observables de las partículas cuánticas se definen en todo momento, pero que están guiadas por una onda, lo cual explica nítidamente la dualidad onda-partícula. Este es un ejemplo de teoría de variable oculta debido a que explica las propiedades medibles de la mecánica cuántica como consecuencia de una característica física real pero experimentalmente inaccesible – la onda.

¿Artificial o intuitivo?

Las dos teorías son matemáticamente indistinguibles, por lo que algunos físicos ven la “interpretación de Bohm” como un intento artificial de explicar los resultados experimentales de la mecánica cuántica sin abrazar la extrañeza de la interpretación de Copenhague. Sin embargo, en 1980 Michael Berry y sus colegas de la Universidad de Bristol en el Reino Unido usaron una analogía con ondas de superficie en un fluido clásico para llegar a una explicación más intuitiva de un extravagante fenómeno cuántico conocido como efecto Aharonov–Bohm (descubierto por el mismo Bohm).

Ahora, Yves Couder de la Universidad de París Diderot y sus colegas han explorado aún más esta analogía observando el comportamiento de diminutas gotas que rebotan, conocidas como “caminantes” cuando se mueven a lo largo de la superficie de un vibrante baño de aceite de silicona. Las gotas crean ondas en la superficie del fluido y, a su vez, se ven influidas por estas ondas. De acuerdo con Couder, esto proporciona un paralelismo interesante con el modelo de “onda piloto” de la mecánica cuántica.

“Existe una simbiosis entre la gota y la onda”,  explica Couder, “debido a que si no hay gota no hay onda. Y si no hay onda la gota no se mueve”. Couder y sus colegas creen que esta interacción entre el caminante y la onda que crea es un ejemplo de dualidad onda-partícula en un sistema clásico debido a que, aunque la gota se sitúa en el espacio como una partícula, su movimiento pueden verse influido por cualquier cosa que afecte a la onda piloto.

Estados ligados

Couder enfatiza que el sistema de su grupo no es una analogía exacta de la mecánica cuántica dado que, por ejemplo, requiere una entrada continua de energía que se logra haciendo vibrar el baño. Sin embargo, en anteriores investigaciones el grupo ha logrado usar caminantes para crear analogías clásicas de efectos cuánticos de difracción y tunelado de una única partícula. También han demostrado que dos caminantes pueden orbitarse entre sí para formar estados ligados, en una analogía de los estados ligados cuantizados de un átomo.

En la nueva investigación, el grupo investigó el efecto Zeeman – un efecto cuántico donde los niveles de energía de un átomo se dividen en presencia de un campo magnético externo. Un átomo es un estado ligado de un núcleo y uno o más electrones – y esto se simula mediante un estado ligado de dos caminantes.

Para crear una analogía de un campo magnético aplicado, los investigadores hicieron girar la bañera. El estado ligado de los dos caminantes quedaba entonces libre para rotar a favor o en contra del eje de rotación de la bañera – simulando los estados de momento angular orbital de un átomo. En ausencia del campo magnético simulado, ambos estados rotacionales tienen la misma energía. Sin embargo, cuando giraba la bañera la energía de los estados rotacionales se dividía, aumentando uno y disminuyendo el otro – al igual que los estados del momento angular de un átomo en un campo magnético. El equipo también vio abruptas transiciones entre niveles de energía.

Fernando Lund de la Universidad de Chile en Santiago, que ha dirigido un grupo de investigación que analiza problemas similares pero que no estuvo implicado en la investigación actual dice: “La característica más importante de este artículo, y de otros del mismo equipo, es el uso maestro de tecnología de vanguardia para llevar a cabo analogías entre la física clásica y cuántica que pueden visualizarse con facilidad”. Sugiere que podría ser interesante intentar visualizar otros fenómenos cuánticos usando medios clásicos. “Mi candidato favorito sería el espín semientero de algunas partículas como los electrones”, señala. “¡No veo otra forma de poder abordar la respuesta a esta pregunta!”

La investigación se publica en la revista Physical Review Letters.

---

Autor: Tim Wogan
Fecha Original: 9 de julio de 2012
Enlace Original

Disco de formación planetaria se desvanece en el aire

Fuente: Ciencia Kanija

 

A unos 460 años luz de distancia en la constelación de Centaurus, giraba un grueso disco de polvo alrededor de una joven estrella llamada TYC 8241 2652 1, donde estaban surgiendo planetas rocosos similares al nuestro. Luego, en menos de dos años, el disco simplemente se desvaneció. Esta es una observación sin precedentes de la que informan los astrónomos en un nuevo estudio publicado hoy. Aún más intrigante: lo mismo puede haber sucedido en nuestro propio Sistema Solar.

Nacido  hace unos 10 millones de años, el sistema TYC 8241 2652 1 se desarrollaba sin problemas antes de 2009. Su disco circumestelar brillaba en la longitud de onda infrarroja de 10 micras, lo que indicaba que era cálido y estaba cerca de su estrella – en el mismo tipo de región que, en la propia vecindad de nuestro Sol, dio lugar al surgimiento de los planetas terrestres  Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Los datos infrarrojos revelaron que el polvo estaba a unos 180°C y se situaba tan cerca de su estrella como Mercurio lo está del Sol.

Disco de formación planetaria © by NASA Goddard Photo and Video

En enero de 2012, sin embargo, se había desvanecido casi toda la luz infrarroja del disco de polvo. “Nunca habíamos visto nada parecido anteriormente”, dice el astrónomo Carl Melis de la Universidad de California en San Diego. “Nos quedamos todos rascándonos la cabeza y preguntándonos qué demonios hicimos mal”. Pero posteriores observaciones con telescopios tanto infrarrojos como terrestres confirmaron el sorprendente descubrimiento, comenta: “El disco había desaparecido”.

Melis y sus colegas informan del misterio en la edición en línea de hoy de la revista Nature — pero no saben qué lo ha provocado. “Es muy extraño”, dice. “No se ha predicho jamás algo como esto”. Señala que no hay forma de que algo pudiese eclipsar al disco de emisión infrarroja durante más de dos años, dado que tal objeto tendría que ser inmenso. Además, la propia estrella no se ha apagado.

Melis especula con que una colisión anterior entre dos objetos que orbitaban la estrella – tal vez dos grandes bloques de roca, dos asteroides o incluso dos planetas –produjeron los granos de polvo que emitían la luz infrarroja. Entonces o bien la luz de la estrella lanzó el polvo fuera del sistema planetario o bien el polvo cayó hacia la estrella.

“Es un misterio verdaderamente interesante”, dice el astrónomo Scott Kenyon del Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica en Cambridge, Massachusetts, que no estuvo involucrado en el equipo del descubrimiento. Las observaciones ciertamente parecen correctas. Es asombroso que el polvo de uno de estos discos se haya desvanecido con tanta rapidez. Es difícil saber exactamente qué ha sucedido”.

“Esta es una visión completamente nueva dentro de los violentos procesos que formaron la Luna y que puede que estuviesen en marcha cuando se forman y dan sus primeros pasos los planetas terrestres en otros sistemas planetarios”, añade el astrónomo George Rieke de la Universidad de Arizona en Tucson. Rieke dice que el descubrimiento muestra lo que sucede después la colisión de los miembros de un sistema planetario recién nacido. Su equipo recientemente encontró una atenuación infrarroja más suave en dos estrellas algo más viejas, lo que indica que puede que eventos similares estén teniendo lugar en otros lugares.

El descubrimiento puede dar pistas de la violencia que rodeó a la formación de la Tierra. En particular, la Tierra es el único planeta terrestre conocido con una gran luna, cuyas mareas pudieron ayudar al avance de la vida empujándola del mar a la tierra; pero nadie sabe cuántos planetas similares a la Tierra tienen grandes satélites. La Luna surgió cuando un objeto del tamaño de Marte impactó en nuestro planeta, una colisión que presumiblemente expulsó una gran cantidad de polvo al espacio. Las nuevas observaciones sugieren que este polvo podría haber desaparecido con rapidez.

Sin embargo, con un único disco de polvo desvaneciéndose observado, Melis no sabe lo común que es este fenómeno. Por lo que su equipo planea monitorizar no solo esta estrella, sino otras similares. “Tenemos que esperar y ver si podemos detectar otra”, comenta.

---

Autor: Ken Crosswell
Fecha Original: 4 de julio de 2012
Enlace Original

Se observa por primera vez un efecto termoespintrónico en un material no magnético

Fuente: Francis (th)E mule

El efecto Seebeck es el paradigma de la termoelectricidad y permite el desarrollo de termopares (sensores de temperatura). En 1821 Seebeck construyó un cable conductor de electricidad uniendo entre sí dos cables de diferentes materiales y observó que al calentar uno de sus extremos aparecía una corriente eléctrica y un campo magnético inducido. A la inversa, una diferencia de temperatura entre los extremos de un imán (material ferromagnético) provoca la aparición de una diferencia de potencial y una corriente eléctrica, incluso en imanes fabricados con materiales semiconductores y aislantes. Se publica en Nature la primera observación del efecto Seebeck en un material que no es magnético (antimoniuro de indio, InSb), aunque a baja temperatura (por debajo de 40 Kelvin). Los autores del artículo afirman que la corriente eléctrica se produce gracias a la inversión del espín de los electrones en el material, por lo que han bautizado al fenómeno como efecto Seebeck de espín. En materiales magnéticos el sentido de la corriente eléctrica viene determinado por la dirección de la magnetización, pero en el nuevo efecto solo depende de la dirección del gradiente de temperatura. Nos lo han contado Tero T. Heikkilä, Yaroslav Tserkovnyak, “Solid-state physics: Thermal spin power without magnets,” Nature 487: 180–181, 12 July 2012, que se hacen eco del artículo técnico de C. M. Jaworski, R. C. Myers, E. Johnston-Halperin, J. P. Heremans, “Giant spin Seebeck effect in a non-magnetic material,” Nature 487: 210–213, 12 July 2012.

El efecto Seebeck de espín en materiales ferromagnéticos se asocia a la interacción entre los fonones (vibraciones de la red cristalina) y los magnones (excitaciones de los momentos magnéticos de espín); los fonones impulsan a los magnones a cambiar su estado de equilibrio generando una corriente de espín que polariza los electrones del material, efecto que puede ser detectado como una corriente eléctrica gracias al efecto Hall de espín inverso.
Este nuevo descubrimiento que combina espintrónica y termoelectrónica, en lo que se suele llamar termoespintrónica, se cree que tendrá aplicaciones en la industria de los ordenadores para desarrollar sistemas que aprovechen el calor disipado para almacenar información o realizar ciertas labores de cómputo. Por supuesto, estas aplicaciones a largo plazo aún estas lejos, siendo el mayor inconveniente que todavía no se entienden bien los detalles íntimos del efecto Seebeck de espín.

Por qué el bosón de Higgs es una pieza fundamental en el modelo estándar

Fuente: Francis (th)E mule

Me ha gustado mucho la charla de Alex Pomarol (UAB, Barcelona), “Electroweak Symmetry Breaking (EWSB). Status/Directions,” ICHEP 2012, 9th July, que nos resume lo que supone para los físicos teóricos el descubrimiento del Higgs anunciado el 4 de julio de 2012. Lo primero, euforia. Lo segundo, un gran número de nuevos resultados que hay que digerir. Hay que recordar las palabras de Alex que afirma que en un solo día se ha presentado más información sobre la ruptura de la simetría electrodébil que en los últimos 40 años.

¿Qué hace que el bosón de Higgs sea una partícula especial? No, no es que un editor le pusiera un título llamativo a la biografía del premio Nobel Leon Lederman. Tampoco lo es que encontrar esta partícula nos permita entender la condensación del campo de Higgs que llevó a que las partículas ganaran masa. Incluso en las teorías sin Higgs o con un Higgs compuesto, la condensación del campo de Higgs y el proceso de ruptura espontánea de la simetría se da igualmente y de forma muy similar (pues hay muchas pruebas indirectas de este fenómeno).

Tampoco el Higgs es una partícula especial porque sea una excitación del del campo de Higgs que nos permita explorar sus propiedades, porque en las teorías sin Higgs o con Higgs compuesto también hay excitaciones del vacío que nos permiten explorar el campo.

La razón por la cual el bosón de Higgs es una partícula fundamental en el modelo estándar es que sin esta partícula no se pueden realizar cálculos de precisión, porque hay vértices con grados de libertad longitudinales de los bosones vectoriales débiles que violan la unitariedad (dan probabilidades mayores de la unidad) a alta energía y bucles que conducen a valores infinitos. Sin un mecanismo que compense estos defectos el modelo estándar se hunde en el más profundo de los fangos. Si no existiera el Higgs tendría que existir física más allá del modelo estándar que compense estos defectos que implican el “suicidio” de la teoría.

La existencia del Higgs permite que el modelo estándar vuelva a mostrar una enorme capacidad predictiva, pues los vértices que rompían la unitariedad dejan de hacerlo si hay un bosón de Higgs que medie entre ellos y los bucles con Higgs compensan con su signo a los bucles que daban resultados infinitos. El modelo estándar con un bosón de Higgs recupera todo su poder predictivo y evita su suicidio temprano a baja energía; obviamente, a muy alta energía el modelo estándar puede ser estable, metaestable o incluso inestable en función de la masa que tenga el Higgs (para un valor de 125 GeV todo apunta a que es metaestable hasta la escala de Planck y estable hasta la escala GUT, lo que está muy bien).

Por cierto, para que el modelo estándar sea consistente gracias al bosón de Higgs es necesario que el acoplamiento del Higgs a los bosones W y Z, así como a los fermiones (quarks y leptones) sea exactamente el predicho por la teoría. Si no coinciden con la predicción teórica no estaremos ante el bosón de Higgs sino ante un primo del Higgs (en inglés se suele decir un “impostor”). En el descubrimiento del Higgs publicado el 4 de julio solo se comprobó que el acoplamiento a los fotones y cierto acoplamiento a los bosones Z coinciden (con errores del orden del 10% con las predicciones teóricas), pero falta comprobar muchos otros acomplamientos. Para finales de diciembre de 2012 habrá colisiones suficientes en el LHC para que los análisis verifiquen si los acomplamientos del Higgs a los bosones W, Z y a algunos fermiones coinciden con los esperados y permiten asegurar que se trata del bosón de Higgs del Modelo Estándar. Por cierto, comprobar todos los acoplamientos a todas las partículas del modelo estándar es imposible en el LHC y solo se pueden comprobar algunos, por lo que se requiere un colisionador lineal de leptones para estudiar en completo detalle la física del Higgs.

Obviamente, un bosón de Higgs no es suficiente para salvar al modelo estándar y mantenerlo válido hasta una energía en la escala de Planck, porque el Higgs es una partícula escalar (no lineal) que puede interaccionar consigo misma y es necesario algún mecanismo que controle estas autointeracciones a alta energía, pues lo natural es que aparezcan divergencias. Como siempre para corregirlas lo más fácil es introducir nuevas partículas que las compensen.

La consistencia a alta energía del modelo estándar se puede corregir gracias a la supersimetría, incluso en su versión más sencilla, el modelo supersimétrico mínimo o MSSM, que introduce un segundo doblete en el sector de Higgs, con lo que en lugar de un bosón aparecen cinco. Lo importante es que hay dos bosones escalares neutrinos (h y H) cuyo efecto común compensa las divergencias debidas a la existencia de un solo bosón escalar a alta energía. El modelo MSSM además introduce un bosón pseudoescalar A y dos bosones de Higgs cargados H+ y H-. Por supuesto, además de la supersimetría hay muchas otras soluciones al problema de metaestabilidad del modelo estándar, incluso la posibilidad de que ni siquiera sea un problema tan grave como para que requiera una solución (por ejemplo, algunas propuestas para la gravedad cuántica indican que tiene efectos incluso a una escala de energía tan baja como la escala GUT, donde empezaría a fallar el modelo estándar).

Un bosón de Higgs con una masa de 125 GeV es ideal tanto para los físicos experimentales, como para los físicos fenomenológicos, como incluso para los físicos teóricos. Para los primeros porque permite explorar en los colisionadores casi todos los acoplamientos del Higgs con casi todas las partículas disponibles. Para los segundos porque la auto-interacción del Higgs consigo mismo (m_H²= λ v²) nos da un valor de λ≈0,26, suficientemente pequeño como para que la física del Higgs sea fácilmente calculable con gran precisión utilizando la teoría. Y para los últimos porque es una masa compatible con el modelo estándar, con el rango alto de los modelos supersimétricos MSSM y con el rango bajo de los modelos con Higgs compuesto. Por tanto, todos los físicos teóricos estarán contentos porque su trabajo no tendrá que ser tirado a la basura (por ahora).
Por supuesto, el LHC le está dando tortas por todos lados al modelo MSSM y hoy en día solo le queda un pequeño resquicio para poder respirar. Sin embargo, pasar al siguiente modelo NMSSM (next-to-minimal supersymmetry model) para arreglar el desaguisado (así que la SUSY en general está sufriendo poco con los resultados del LHC).
En resumen, con el descubrimiento del Higgs se ha iniciado una nueva era en la física, la de la física del Higgs, en la que tendremos que estudiar todas sus propiedades con gran precisión con objeto de descubrir cualquier pequeña desviación respecto a las predicciones del modelo estándar que nos guíen hacia el futuro de la física del siglo XXI, hacia el modelo que sustituya al modelo estándar.

“Sit down before fact as a little child, be prepared to give up every preconceived notion, follow humbly wherever and to hatever abysses nature leads, or you shall learn nothing.” Thomas Henry Huxley

Resaca Higgs

Fuente: Neofronteras

Esquema de familias de partículas y su interacción en el Modelo Estándar. Fuente: AAAS, Wikimedia Commons.

Ahora que ya ha pasado un tiempo podemos meditar un poco sobre el anuncio del descubrimiento de una partícula compatible con el bosón de Higgs hecho hace unos días.
Primero deberíamos revisar el Modelo Estándar. Según este modelo hay fermiones (partículas de spin semientero que responden a la estadística de Fermi-Dirac) que son las que constituyen la materia. Estos a su vez se dividen en leptones y quarks. Hay tres familias de fermiones, pero sólo la primera de ellas es estable. Usted y todo lo que le rodea está hecha de esa primera familia (electrón, neutrino electrónico, quark up y quark down). También hay bosones (de spin entero o que responden a la estadística de Bose-Einstein) de intercambio que son los que forman los campos. Así, el fotón crea la fuerza electromagnética, el gluón la fuerza nuclear fuerte (la que mantiene a los quarks unidos) y los bosones W⁺, W^- y Z la fuerza nuclear débil (la responsable de la radiactividad).
Como a los físicos les gustan las cosas unificadas propusieron hace décadas que la fuerza nuclear débil y la electromagnética son sólo una a altas energía (o fueron sólo una a comienzos del Big Bang). Pero los fotones no tienen masa y los bosones de la fuerza débil sí. Así que el ateo de Peter Higgs y otros físicos anteriores y posteriores desarrollaron un sistema de ruptura espontánea de la simetría mediante el cual las W⁺, W^- y Z adquirían masa y los fotones no. Sería un bosón escalar (que al final se llamó bosón de Higgs), que además no sería mediador de una fuerza, el que dotaría de masa a las partículas. Estos bosones crearían un campo de Higgs y según las partículas interaccionaran más o menos con ese campo adquirirían más o menos masa.
¿Cuántos bosones de Higgs hay? Si nos atenemos al Modelo Estándar Mínimo, el campo de Higgs consiste en dos componentes cargadas y dos componentes neutras (un doblete complejo de isospin). Las dos cargadas y una de las neutras forman bosones Goldstone que funcionan como componentes de polarización de las partículas W⁺, W^- y Z. La cuarta sería precisamente “El” bosón de Higgs.
El boson de Higgs no sólo tendría spin entero como todos los bosones, sino que tendría spín cero, ya que el campo de Higgs es un campo escalar (en contraposición a vectorial). El campo de Higgs no sólo dota de masa a las demás partículas, sino que además dota de masa al mismo bosón de Higgs.
El bosón de Higgs no puede tener una masa por encima de 1,4 TeV/c², so pena de que el Modelo Estándar se torne inconsistente. Aunque mediciones precisas en el LEP permitieron acotar mejor la masa del Higgs. Desde que empezó a funcionar el LHC ha estado descartando franjas de energía en las que podría estar el Higgs. Según los datos hechos públicos el otro día, el candidato a Higgs supuestamente descubierto tiene unos 125 GeV/c² de masa, es decir, más o menos la misma masa que unos 125 protones.
Pero el Modelo Estándar Mínimo no es el único modelo que se ha inventado. Algunos de estos modelos extendidos (hay cientos de variantes) amplían el sector Higgs con dobletes y tripletes adicionales que dan lugar a más bosones. Algunos de esos modelos predicen un quinteto de bosones de Higgs: dos bosones neutros CP-par h⁰ y H⁰, un bosón nuetro CP-impar A⁰ y dos bosones cargados H⁺ y H^-. Serían los modelos de dos dobletes de Higgs (2HDM).
La manera de distinguir entre los distintos tipos de modelos extendidos y el Modelo Estándar Mínimo es ver cómo se acoplan los Higgs a las demás partículas y ver qué proporciones hay entre los distintos modos que tienen estos Higgs de decaer en otras partículas. El 2HDM de tipo-I tiene un doblete que se acopla a los quarks up y down y el otro no lo hace. Tiene además dos límites posibles. En uno de ellos el Higgs más ligero no se acopla a los fermiones por lo que sería fermiofóbico (volveremos a esto más adelante) o bien no lo haría a los bosones tipo gauge. En el 2HDM de tipo-II uno de los dobletes Higgs se acoplaría a los quarks tipo “up”, mientras que el otro lo haría a los de tipo “down”.
El Modelo Estandar Mínimo Supersimétrico sería un 2HDM de tipo-II. Por tanto, el estudio del Higgs permitiría estudiar la supersimetría (si es que existe). Algunos modelos supersimétricos predicen que el bosón de Higgs más ligero tendría una masa justo por encima de 120 GeV/c².
Recordemos que la supersimetría propone que cada partícula conocida tendría una partícula aparejada más pesada con el spin cambiado, de tal modo que los bosones tendrían parejas fermiónicas y viceversa.
En conclusión, si estudiamos, por ejemplo, los modos en los que se desintegra el Higgs podemos saber qué modelos se acercan más a la realidad física.
Ahora pasemos a revisar qué es lo que se estudia en el LHC para este caso del Higgs. Resulta que el Higgs nunca es registrado directamente. Sólo se detectan los subproductos que se generan cuando decae (desintegra). El supuesto bosón que dicen haber detectado decae enseguida. Esto es algo con lo que se ya contaba y los detectores fueron diseñados para ello.
Así que en el LHC se aceleran los protones a casi la velocidad de la luz y se les hace chocar unos contra otros justo en el centro de los detectores y parte de su energía cinética en transformada en otras partículas. Los protones son partículas compuestas y dan choques sucios, pero si tenemos fe en los físicos e ingenieros y se registran miles de millones de sucesos es posible separar la información en varios “canales interesantes”. De este modo, se habla del canal “difotónico” cuando el supuesto Higgs decae en dos fotones, o el canal ZZ cuando se desintegra en dos partículas Z (que a su vez decaen en cuatro leptones: cuatro muones, cuatro electrones o bien dos muones y dos electrones). Sólo el 0,01% de los Higgs decaería de esta forma. También está el canal WW y otros. Incluso los canales tienen subcanales.
El caso es que estudiando cuántos sucesos se dan en cada canal podemos saber muchas cosas e incluso deshacernos de algún modelo teórico. Tanto ATLAS como CMS pueden estudiar varios de estos canales.
Pues bien, los datos hechos públicos se refieren a sólo dos de esos canales: el difotónico y el ZZ. Así que como no se tiene toda la información no se puede proclamar a los cuatro vientos que se ha descubierto “El Higgs”. No obstante, según el primer canal existe un bosón de 126 GeV/c² de masa y esto se puede afirmar con una significación estadística de 4,5 σ combinando los datos de los dos últimos años (4,5 σ si sólo consideramos los de este año).
Lo malo es que estamos hablando de confianza estadística local, pues sólo se tiene en cuenta una ventana relativamente estrecha de masas-energías en torno a 125 GeV. Cuando mayor sea la ventana más ruido estadístico se mete en los cálculos y menor es la significación. Si nos centramos entorno al “lugar interesante” entonces la significación mejora. Si en Estadística queremos hacer trampas sólo tenemos que quedarnos con lo que nos interesa (votantes en torno a los 50 años de edad si queremos que demostrar que el voto es conservador, por ejemplo) y no hacer caso del resto. Aunque, que quede claro, los chicos el LHC no hacen trampas, pues proporcionan todos los números. En este caso dicen que la estadística global se reduce a 3,6 σ para este caso. En este canal se han registrado en total 200 eventos que apuntan al Higgs.
Los datos del canal ZZ son más escasos, pero como los eventos son en este caso muy limpios, permiten afirmar que existe un Higgs estándar de 125 GeV/c² con una significación local de 3,6 σ. Sólo se han observado 13 eventos de este tipo.
Pues bien, combinando los datos de ambos canales se puede hablar que existe un bosón compatible con el bosón de Higg con una significación local de 5 σ. Significación que se reduce a 4,3 σ si consideramos el intervalo 100-150 GeV/c².
Los datos de estos canales permiten además rechazar la hipótesis de un bosón de Higgs fermiofóbico.
¿Y qué hay de los otros canales? Pues ATLAS no han hecho públicos sus datos. El problema es que estos otros canales son más difíciles de estudiar, porque algunos de los subproductos no se detectan.
Todavía no se puede estar completamente seguro de que se trate de “El bosón de Higgs” y algunos indicios apuntan a que quizás haya algo más allá del Modelo Estándar, incluso que haya supersimetría. El número de eventos en el canal difotónico en ambos experimentos (ATLAS y CMS) es superior a lo que cabría esperar. Esto podría deberse a una nueva física más allá del Modelo Estándar, como sería la existencia de una nueva superpartícula cargada, más de un Higgs, supersimetría, etc.
Otro indicio es la extremada escasez de datos en el canal WW. Según el Modelo Estándar Mínimo debe de haber eventos en ese canal a las energías a las que opera el LHC. Aunque esta escasez podría no ser real y deberse a que este canal es muy difícil de estudiar. Pero si resultara que el efecto fuera real entonces quizás no se trate de “El Higgs”, sino de un bosón no escalar (spin distinto a cero). Quizás un bosón de spin 2, pues el caso de spin 1 ha sido rechazado por los datos del canal difotónico. Sin embargo, los datos del Fermilab ya indicaban en su día que no puede haber un bosón de spin 2 a esas energías.
Los canales de taus y los canales de quarks b también presentan un déficit, lo que indicaría que el supuesto Higgs interaccionaría de diferente manera con los fermiones que con los bosones.
En definitiva, hacen falta más datos, que serán cosechados a lo largo de los próximos meses, para así ir rechazando modelos e hipótesis y asegurarnos que efectivamente hemos cazado un Higgs.
Si hay supersimetría no hay manera de saber si este bosón es un h⁰ o si se trata del bosón de Higgs estándar. El problema es que h⁰ y H⁰ sólo se diferenciarían en la masa. Si hay supersimetría habríamos detectado el h⁰, pero necesitaríamos detectar el H⁰, para afirmar que se trata efectivamente del h⁰ y no del H estándar. La otra posibilidad, de que se haya detectado el H⁰ y que haya un h⁰ de masa inferior, queda descartada por los datos del LEP. Si hay un H⁰ debe tener una masa superior a 560 GeV/c², porque por debajo ya ha sido explorado en el LHC sin que se haya encontrado. Pero probablemente tenga una masa inalcanzable para el LHC.
También sería posible que aparecieran los bosones A⁰, H⁺ y H^-. En el LHC se están buscando todos estos bosones, pero todavía no han aparecido. Tampoco han aparecido partículas supersimétricas, sean bosones de cualquier tipo o no.
Hace falta que el LHC llegue a los 14 TeV, en lugar de a los 8 TeV actuales, para que se pueda estudiar la interacción del supuesto Higgs consigo mismo. Esto ayudará mucho a saber su verdadera naturaleza, pero, como muy pronto, esto no sucederá hasta finales de 2014.
Algún físico del pasado llegó a decir que la ciencia o bien es Física o bien es Filatelia para así hacer un chiste a costa de la Biología, pero ahora los biólogos pueden vengarse y decir que un ornitorrinco existe como especie sin necesidad de usar ninguna significación estadística.
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3873

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.

Por qué el canal tau-tau en CMS no muestra ninguna señal de un bosón de Higgs

Fuente: Francis (th)E mule

Nadie lo sabe, pero por ahora es la señal más firme de que el bosón de Higgs descubierto en el LHC del CERN no es el predicho por el Modelo Estándar. Sin embargo, no es todo lo firme que nos gustaría a algunos y la opinión de muchos expertos es que la discrepancia desaparecerá cuando ATLAS publique sus datos sobre este canal (y cuando CMS acumule más datos). Os recuerdo, esta figura de exclusión muestra los datos observados por CMS para el canal H→ττ (la desintegración de un bosón de Higgs en dos leptones tau) con datos de 2011 y 2012; la curva negra sigue a la curva roja, la predicha si no existe el bosón de Higgs, muy lejos de la curva discontinua, la esperada si existe un Higgs  con masa 125 GeV. Interpretar que esta figura implica que el Higgs descubierto el 4 de julio no se desintegra en dos leptones tau es todavía muy arriesgado, porque la curva roja todavía no tiene un valor menor de la unidad, aunque casi lo tiene, luego CMS no es aún sensible en este canal para descartar al Higgs. De ahí las dudas de todos los expertos. Sin embargo, este canal ha encendido muchas “luces” en la calenturienta mente de muchos físicos teóricos. La cuestión del millón de dólares es ¿cuál es la causa de esta discrepancia? Anoche, sobre las 02:00 (hora española), se lo preguntaron a Joe Incandela (CMS), “Observation of a narrow resonance near 125 GeV in CMS (was “Higgs-CMS”),” ICHEP 2012, 9th July. ¿Qué contestó Joe?

Incandela, que ya presentó el descubrimiento del Higgs el pasado miércoles 4 de julio, donde nadie pudo hacerle preguntas técnicas porque no estaba permitido, dijo anoche que el culpable de la anomalía es un solo bin, un pequeño conjunto de datos, que he marcado con un círculo rojo en la figura de arriba, el bin para un subcanal con energía entre 120 y 140 GeV. La gran distancia entre el valor observado de ~0,35 con el valor de ~1,15 esperado si existe un Higgs, e incluso con el valor de ~0,7 predicho por el SM si no existe el Higgs, es la razón fundamental de que CMS en el canal tau-tau no haya visto el bosón de Higgs. Solo un bin de datos. ¡Increíble! Pero en la figura se ve muy bien que en este bin la desviación es enorme, enorme, superior a cinco sigmas. Incandela ha sugerido que debe ser una fluctuación estadística, pero hay que esperar a acumular más datos para confirmarlo (o refutarlo). Más aún, en los demás canales de la desintegración tau-tau en CMS no se observa una discrepancia tan enorme, por lo que un físico experimental debe pensar que se trata de una desviación de origen estadístico (pero casi seis sigmas es una desviación muy grande, demasiado grande).
En el ICHEP 2012, el sábado hubo una charla dedicada en exclusiva al canal di-tau (o tau-tau) en CMS, en concreto, la de Joshua Swanson (CMS), “Search for a SM Higgs decaying to tau pairs with the CMS detector,” ICHEP 2012, 7th July. Como he dicho, la charla deja claro que como todavía no hay sensibilidad suficiente para excluir el bosón de Higgs a 95% C.L. en ningún punto del intervalo entre 110 y 145 GeV, debemos tener cuidado a la hora de interpretar este resultado y no extraer conclusiones anticipadas. La interpretación más conservadora de este canal es que estamos observando una fluctuación estadística (por defecto). La interpretación más radical es que este canal nos indica que el bosón de Higgs observado no es el bosón de Higgs del modelo estándar; sin embargo, en mi opinión, esta interpretación radical es menos razonable que la interpretación conservadora a la vista de los datos de ATLAS. En los próximos meses habrá que estar muy al tanto de cómo evoluciona el canal di-tau en CMS.
¿Por qué es muy importante el canal tau-tau en la búsqueda del Higgs? Utilizando el LHC del CERN, la única manera de comprobar el acoplamiento del bosón de Higgs con los leptones es el estudio de su desintegración en los leptones más pesados, los leptones tau. El canal di-tau, H→ττ, corresponde a la desintegración de un Higgs en un par de leptones tau (en rigor, un tau y un anti-tau). Os recuerdo que el leptón tau tiene una masa de 1,78 GeV y una vida media de 290 femtosegundos (milésimas de billonésima de segundo).
Los leptones tau no dejan ningún tipo de traza (trayectoria) en los detectores de los experimentos del LHC (al contrario que los muones y los electrones) y solo pueden ser observados de forma indirecta gracias a los productos de su desintegración (leptones cargados, pérdidas de energía (neutrinos) y chorros de hadrones). Por tanto, este canal es difícil de estudiar y requiere un gran número de colisiones. Por ahora, no hay suficientes colisiones en 2011 y 2012 en el LHC para poder usar el canal di-tau para excluir un Higgs con ninguna masa, con lo que las conclusiones que podemos derivar de este canal hay que tomarlas con “alfileres.” ¿Qué nos dicen ATLAS y el Tevatrón sobre este canal?

Como muestra esta figura en la charla Swagato Banerjee (ATLAS), “Search for the Standard Model Higgs boson in the H decay mode with the ATLAS detector,” ICHEP 2012, 7th July, el canal di-tau comprende tres subcanales en función de si los taus se desintegran en leptones o en chorros (hadrónicos). Todos estos subcanales son muy difíciles de estudiar porque involucran la aparición de más de dos neutrinos que se observan como pérdidas de energía; si detectar un neutrino es difícil, imaginad lo difícil que es detectar cuatro en el subcanal H→ττ→ll4ν. Aún así, el canal di-tau es muy importante y hay que estudiarlo. A modo de ejemplo, abajo tenéis un evento con un leptón, un chorro hadrónico y tres neutrinos (que no se ven, claro).

Bueno, al grano. Como muestra la figura de abajo, ATLAS solo ha analizado el canal di-tau con los datos de 2011 (aún no se ha publicado el análisis con datos de 2012, que quizás vea la luz en agosto). Por tanto, confrontar el resultado de CMS yATLAS requiere un puntito de sal.

Por ahora el canal di-tau en ATLAS no es capaz de excluir al Higgs para ninguna masa entre 100 y 150 GeV (como ya vimos que también pasa con CMS incluso con datos de 2012). La gran diferencia entre ATLAS y CMS en este canal es que la señal observada por el primero es compatible con un Higgs a 125 GeV del modelo estándar (como muestra la figura de arriba a la derecha) con una diferencia ridícula de solo unas 0,2 sigmas, mientras que la señal de CMS no lo es (con casi dos sigmas de diferencia). En este sentido, la combinación de datos de ATLAS y CMS nos permite asegurar que el canal di-tau difiere de las predicciones del modelo estándar en muy poco.
Si estudiar el canal di-tau en ATLAS y CMS es difícil porque hay pocas colisiones, en el Tevatrón la situación es aún peor porque solo se pueden estudiar algunos de los subcanales. Ahora mismo el cociente σ/σ_SM > 15, con lo que este canal nos puede aportar poco, realmente muy poco (recuerda que en ATLAS es mayor de 3 y en CMS es mayor ligeramente de 1). Nos lo han contado Elisabetta Pianori (CDF), “Standard Model Higgs boson searches in challenging channels using the full CDF dataset,” ICHEP 2012, 7th July, y P. Grannis (DZero), “Search for the Standard Model Higgs in γγ and τ+lepton final states,” ICHEP 2012, 7th July. Pero que realmente aportan poco a lo ya dicho.
En resumen, aunque me gustaría afirmar que el canal tau-tau apunta a que el bosón de Higgs observado el 4 de julio no es el bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM), sino uno de sus primos que no se desintegra en leptones, no puedo hacerlo. A la vista de que no hay colisiones suficientes aún, debemos esperar, pero por ahora CMS+ATLAS+Tevatrón apuntan a favor de una fluctuación estadística en CMS y de que la partícula descubierta en el LHC corresponde al Higgs del SM hasta que los hechos demuestren lo contrario.