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¿Está el neutrino? Que se ponga

gilaEl neutrino es esa partícula que es capaz de contarnos los secretos del universo a base de susurros.  Es esa partícula que un día consideramos indetectable y que ahora la lanzamos en cañones.  El neutrino es la clave para muchas respuestas y la llave para las preguntas más emocionantes a las que nos vamos a tener que enfrentar en física en los próximos años.    Todo eso y más es el neutrino.

Pero en esta ocasión vamos a hablar sobre la posibilidad de usar esas partículas como canal de comunicación. Esta entrada está inspirada en las charlas que he tenido el placer de escuchar de Juan José Gómez Cadenas (@JuanJoseGomezC1).  Juan José es un físico especialista en física de neutrinos de reconocimiento mundial, ahora desarrolla su investigación y su docencia en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC – @IFICorpuscular), centro mixto del CSIC (@CSIC) y de la Universidad de Valencia.  Además de físico se dedica a juntar letras, y ciertamente lo hace con estilo y con criterio, sus obras las podéis encontrar mencionadas aquí.  Además es uno de los autores de la publicación  Jot Down Spain.  Y si todo ello no fuera suficiente, ahora está a la cabeza de uno de los experimentos mejor situados para dilucidar si el neutrino es su propia antipartícula o no lo es, el experimento NEXT (@NEXT100Exp).

En las charlas a las que me refería Juan José hablaba de neutrinos, del experimento y dejaba en el aire un comentario – No sabemos si hay otros seres en la galaxia, pero tal vez, de haberlos, se estén comunicando por una wifi de neutrinos.  Lo malo es que nosotros aún no hemos conectado con la red -, (interpretación libre de este que escribe).  Pero lo mejor es escuchar a Juanjo, así que aquí tenéis la charla que dio en el evento ciencia de Jot Down en Sevilla el pasado mes de junio:

En esta entrada vamos a intentar entender cómo es eso de que podemos comunicarnos a través de las “indetectables” partículas neutrínicas y qué tan lejos estamos de conseguirlo.  Lo de relacionarnos con otros seres de la galaxia lo dejaremos para un futuro.

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Aprovechando que el Pisuerga pasa por Valladolid, las partículas de Majorana

Ettore Majorana

Ettore Majorana

Seguramente habrá cierto movimiento mediático en torno a las partículas de Majorana.  Así que vamos a dedicar un rato a hablar de qué son dichas partículas y por qué son tan interesantes para los físicos.

Todo el asunto radica en los términos:

-  Antimateria.

- Fermión.

Espero que esta entrada aclare un poco el asunto para que nuestros queridos lectores puedan seguir las noticias que se están presentando con cierta solvencia.

Fermiones y bosones

Las partículas se clasifican de muchas cosas, hay nombre muy chulos, hadrones, leptones, mesones, y toda una plétora de palabrejas terminadas en -ones.  Una de esas clasificaciones establece que las partículas pueden ser:

1.-   Fermiones

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2.-  Bosones

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Como cualquier en clasificación, tiene que haber una característica o propiedad que nos sirva para clasificar.  En este caso es el espín de las partículas.  El espín es una propiedad intrínseca y definitoria de una partícula, tanto como su carga eléctrica o su masa.  El origen de dicha característica es puramente cuántico y no es fácil dar una imagen intuitiva de la misma.

Pero para nuestros propósitos no tenemos que entrar en esos vericuetos, nos basta saber que el espín de las partículas es una magnitud medible, como masas y cargas, que puede tomar valores enteros, 0,1,2,3,..., o valores semienteros, \dfrac{1}{2},\dfrac{3}{2},....  Pues bien, diremos que:

-  Fermiones serán todas las partículas de espín semientero.

-  Bosones son todas las partículas de espín entero.

Ejemplos de fermiones son los electrones, los protones o los neutrones.  Bosones son por ejemplo los fotones, etc.

Que una partícula sea bosón o fermión nos dice muchas cosas de ella, por ejemplo, nos informa de que podemos tener muchas partículas con todas sus propiedades cuánticas iguales, en el caso de los bosones, o que no puede, en el caso de los fermiones.  Expliquemos esto un poco más.

Supongamos que tenemos un bosón y un fermión que pueden estar en dos estados, el estado rojo y el estado azul.  Cuando nos proporcionan una de estas partículas no podemos saber si está en rojo o en azul hasta que no las observemos pero la cuántica nos dice, según haya sido manipulada la partícula previamente, con qué probabilidad será roja o azul al observarla.

Para lo que nos proponemos lo único relevante es que una partícula, bosón o fermión, de las que tenemos a nuestra disposición tiene probabilidad de estar en el estado rojo o en el estado azul:

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Supongamos ahora que nos proporcionan dos bosones de los que se sabe que uno es rojo y otro es azul.  Lo podemos representar así:

rojoazul

Pero un momento, si ambos bosones son idénticos, tienen la misma masa, mismo espín y mismas cargas, son como gemelos idénticos, indistinguibles.  Así que la asignación de las etiquetas para el bosón 1 y el bosón 2 no tienen sentido alguno en un contexto cuántico, no podemos saber cuál es el bosón1 o el bosón 2, así que podríamos haber elegido:

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La mecánica cuántica no nos permite distinguir entre estas dos situaciones, así que nos obliga a trabajar con las dos a la vez.  Por tanto para trabajar con dos bosones idénticos que pueden estar en rojo y azul tenemos que considerar que están en un estado:

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Es decir, sabemos que cuando miremos veremos una partícula en el estado azul y la otra en la partícula roja, pero no sabemos cual es cual, no podemos diferenciarlas.

En este punto lo interesante es que para trabajar con todas las posibilidades y satisfacer el requerimiento de no poder distinguir las partículas aparece un signo más entre ambos estados.  Escrito de forma más formal, pero no mucho, sería:

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Ahora supongamos que ambos bosones están en el estado rojo porque lo hemos preparado así:

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No hay ningún problema, la vida sigue igual.  No hay ningún impedimento para poner 2, 3, …, 1000000 bosones en el mismo estado.

Ahora hagamos lo mismo que hemos hecho con los bosones pero con una pareja de fermiones indistinguibles:

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En este caso, para satisfacer la indistinguibilidad de las partículas también tenemos que hacer una combinación de todas las posibilidades.  Pero ahora la cuántica nos dice que para los fermiones la forma de combinar los estados es introduciendo un signo menos.    Ese signo en las combinaciones para grupos de partículas indistinguibles está asociado de forma indisoluble al carácter fermiónico o bosónico de las partículas involucradas.

Para ver como afecta eso de forma dramática a la física miremos qué pasa cuando intentamos poner dos fermiones idénticos en el mismo estado:

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Ese signo menos impide que ese estado pueda existir.  Simplemente se aniquila, se anula, es imposible, eso da un cero gordo.  Así no es posible tener más de un fermión en un estado cuántico dado.  Esto que he explicado tiene un nombre en física, el principio de exclusión de Pauli.

Con esto he acabado con lo que quería contar de fermiones y bosones.  Espero que os haya resultado instructivo.  Seguimos…

Antimateria

La antimateria es una predicción teórica que extrajo Dirac cuando unió los principios de la cuántica con los de la relatividad especial.  Para su sorpresa, una ecuación, la ecuación de Dirac, que estaba diseñada originalmente para describir electrones se empeñaba en describir además otra partícula.  Esta partícula incómoda tenía una serie de propiedades:

  1. Tenía la misma masa del electrón.
  2. Tenía el mismo espín del electrón.
  3. Sin embargo, la carga eléctrica era del mismo valor que la del electrón pero opuesta en signo.

Cuando se fue desarrollando la teoría se encontró que para cualquier partícula existe otra partícula asociada que tiene la misma masa y el mismo espín pero que tiene las cargas cambiadas de signo.  A estas partículas se las denominó — antipartículas –.

Hoy día sabemos que las antipartículas existen y las sabemos manipular, además sabemos que cuando una partícula se encuentra con una de sus antipartículas tienen una enorme probabilidad de destruirse mutuamente generando radiación en forma de fotones.  Esto es el fundamento de técnicas de diagnóstico médico como el PET.

Conocemos partículas que son su propia antipartícula, por ejemplo el fotón.  Para que una partícula pueda ser su propia antipartícula tiene que ser neutra, sin carga, así que el cambio de signo de la carga inducido en la materia/antimateria no le afecta.  Pero sucede que todas las partículas que son su propia antipartículas que hemos sido capaces de identificar pertenecen al conjunto de los bosones.

La pregunta es, ¿existe algún fermión fundamental que sea su propia antipartícula?

Un físico italiano, Ettore Majorana, introdujo las condiciones teóricas para poder tener fermiones que fueran su propia antipartícula.  A las partículas con esa propiedad (ser su propia antipartícula) se las denomina partículas de Majorana.

De los fermiones conocidos, los quarks, los electrones, los muones, los tau, no pueden ser partículas de Majorana. ¿Por qué?  Porque todos tienen carga eléctrica y entonces sus antipartículas asociadas tendrán la carga eléctrica opuesta en signo.  Esto impide que, por ejemplo, el electrón y el positrón (par partícula/antipartícula) sean una única partícula ya que uno tiene carga eléctrica negativa y el otro positiva.

Siempre nos quedarán los neutrinos

paris

Los neutrinos son unas partículas formidables.  Sí, son esas que nos atraviesan a nosotros y al planeta como si nada, pasan de todo, interactúan poco y tenemos que formar un buen follón para detectarlas.  Son partículas que además cambian de identidad cuando se mueven, pueden ser neutrinos electrónicos, muónicos o tauónicos.  Así yo lanzo un neutrino de tipo electrónico y si lo detecto varios kilometros más allá puede que sea de otro tipo.

Estas partículas tienen las siguientes propiedades:

  1. Tienen una masa muy, muy pequeña.
  2. Tienen espín semientero, por lo tanto son fermiones.
  3. ¡Son neutros!

Es decir, son las únicas partículas conocidas que pueden ser de Majorana, es decir, ser su propia antipartícula.

La cuestión no es baladí, se ha intentado durante décadas determinar si el neutrino es su propia antipartícula o no lo es.  Y esto no es solo por el capricho de los físicos por tocarle las cosquillas al neutrino, sino porque determinar si es una partícula de Majorana o no lo es nos ayudará a cosas como:

  1. Entender por qué vemos las partículas que vemos en el universo.
  2. Entender qué física vamos a poder descubrir en experimentos futuros de altas energías.
  3. Entender la materia oscura.
  4. Entender por qué no hemos visto la supersimetría
  5. Etc…

A día de hoy ya está en marcha un experimento, el experimento NEXT, que está diseñado para encontrar si el neutrino es su propia antipartícula o no lo es.  Si queréis saber sobre este proyecto lo mejor es que nos hable del mismo uno de sus responsables, Juan José Gómez Cadenas.  Aquí os dejo la charla que dio en el evento Jot Down Ciencia en Sevilla el pasado verano:

Next Experiment:  @NEXT100Exp

Juan José Gómez Cadenas:  @JuanJoseGomezC1

Las noticias actuales

Posiblemente verás en blogs, twitters y demás medios que se habla mucho de partículas de Majorana.  En efecto, se han encontrado cosas que en el seno de materiales se comportan como si fueran partículas de Majorana.  Pero no se han encontrado partículas fundamentales de este tipo hasta la fecha.

Esto no quiere decir que el trabajo no sea interesante, lo es y mucho, pero no hay que confundirse con un sistema que emula ser una partícula de Majorana a haber encontrado una partícula FUNDAMENTAL de esta clase.

Para más información, esta entrada en el país:  La partícula que es materia y antimateria a la vez.  (Yo le hubiera puesto de título:  La partícula que emula ser materia y antimateria a la vez :P ).

En realidad en los materiales se pueden dar configuraciones del sistema que se comporten como partículas de Majorana, como monopolos magnéticos, etc.  Son lo que son, no lo que parecen ser. Ojo con eso.

Nos seguimos leyendo…

Mira al fondo, verás neutrinos

Contribución de las fluctuaciones en los neutrinos de origen cosmológico en el fondo de microondas. (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v95/i1/e011305)

El neutrino es, sin lugar a dudas, una de las partículas más interesantes de las que tenemos noticia. Su poco afecto a interactuar los hacen, además de díficiles de observar, buenos mensajeros de información sobre los procesos en los que juegan un papel.

Estas partículas han sido, y lo seguiran siendo, una fuente continua de sorpresas y de retos tanto teóricos como experimentales.

En esta entrada hablaremos de un aspecto poco conocido, según nuestra opinión, acerca de estas partículas y es su papel en cosmología. Al igual que estamos rodeados de una radiación de fotones de origen cosmológico, la radiación cósmica de fondo, suponemos que debe de existir un fondo de neutrinos. Desafortunadamente, la detección directa de este componente del universo es harto difícil debido a la poca energía de dicho fondo. No obstante, tenemos herramientas indirectas que nos permitirán estimar la influencia de los neutrinos en la conformación y evolución de nuestro universo.

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Carlos Pobes encuentra al capitán Scott – Acto Primero

Hoy tenemos el placer de contar con la participación de Juan José Gómez Cadenas (@JuanJoseGomezC1). JJ es un tipo de los que hay que conocer, escuchar, discutir con él y aprender. Es el profesor que todos deberíamos de haber tenido. En esta ocasión nos presenta una visión novelada, y no menos real, de la ciencia, la sociedad y los protagonistas, los científicos.  ¡Bienvenido!

Ambientación:

estamos en el Polo Sur, a principios del verano polar. Es de día. Este día acaba de empezar, después de una noche de seis meses, una noche tan larga como la infancia, tan oscura como la desesperanza de un país vendido a mercaderes de poca monta, tan inimaginable, en el eterno amanecer, como aquella juventud que se nos escapó, tan secreta como el primer amor,  tan íntima como las líneas de aquel poema que  ella nos recitaba al oído, en la oscuridad que ya no sabemos concebir.

Hace frío. Siempre hace frío en el Polo Sur.  Hoy la temperatura ronda los cuarenta bajo cero. Ha hecho más frío durante la noche, durante el invierno, cuando los vientos helados pueden traer temperaturas inferiores a las que reinan en Marte.

Carlos Pobes aguarda junto al mojón que marca el exacto Polo Sur geográfico. Pasea, trazando pequeños círculos en torno al cartel conmemorativo. Camina, en parte, para distraer el frío. A pesar de su impermeable de Gore-Tex forrado de plumón y los dos pares de guantes, y las orejeras y gorro polar, y las botas aislantes, a pesar de su equipo que incluye capas y capas de material térmico, Carlos Pobes tiene frío y pasea para distraerlo, animosamente. Carlos sabe que el frío es parte del trato antártico, como lo es la soledad y el silencio. Firmó para eso y no se queja.

Pobes es un “winterover”, uno de los dos o tres físicos del equipo de IceCube, el gigantesco telescopio de neutrinos que se extiende bajo el hielo del polo sur, a una profundidad entre un kilómetro y medio y dos kilómetros y medio, cubriendo un área de un kilómetro cuadrado. Un kilómetro cúbico equipado de ojos electrónicos capaces de detectar las firmas de los neutrinos que llueven sobre la Antártida y sobre todos nosotros. Un telescopio que observa lo profundo de la galaxia, esperando señales de monstruos lejanos.

En el centro de la Vía Láctea, un gran agujero negro devora todo su vecindario y en el proceso pueden producirse neutrinos de energías prodigiosas. Quizás IceCube ha detectado dos de ellos este invierno. Mientras Carlos pasea, los físicos de todo el mundo especulan sobre ellos. Algunos incluso se desvelan, imaginando la enormidad de la tragedia que describen las explosiones de luz recién registradas por el ojo de Cíclope. ¿Cuántos sistemas planetarios tienen que destruirse para que el comité Nobel reconozca de una vez el genio de Francis Halzen?

Para entender la galaxia,  alguien tiene que ocuparse de que el detector funcione a la perfección, de que todo este en orden, durante los largos meses de invierno. Cíclope necesita de Ulises, un héroe que, lejos de cegarlo, atiende a sus modestas necesidades. Comprobar que los módulos no fallan, que la electrónica responde, que los datos se transfieren correctamente. A esas y otras labores se ha dedicado Carlos durante la noche interminable, durante el invierno polar.

Ahora amanece y pronto Carlos será relevado de sus obligaciones. Después de un año infinito, regresará a su país confuso y arrebatado, al barullo de las multitudes, a la velocidad de los jardines y la nostalgia de las fábricas. Carlos es un hombre valeroso, nadie que no lo sea puede sobrevivir a un invierno en la Antártida. ¿Pero cómo sobrevivirá a todo ese ruido, después de un año de silencio?

Pobes da vueltas al mojón que declara que se encuentra en el Polo Sur geográfico. Haga lo que haga, sólo puede ir al Norte. Haga lo que haga, la vida lo aleja de este año monacal, de las auroras australes y  el planeta hielo, del silencio de los neutrinos. Haga lo que haga, el tiempo, suspendido durante seis meses, vuelve a correr en su clepsidra. Pronto, Carlos se marchará de la Antártida.

Nuestro héroe pasea y piensa, hasta que de repente se da cuenta de que no está solo. Junto a él hay otra persona, vestida de una manera que sería cómica si no fuera por el frío. Guantes y gorro de piel, impermeable de hule, el equipo de este tipo que acaba de materializarse junto a él, es, simplemente, patético. Debe estar helado. Lo está, a juzgar por la forma en que tiembla y se retuerce, como un olivo aniquilado por la escarcha. El rostro, enjuto, barbudo, quemado por los implacables rayos UVA, es el de un cristo en la cruz. Los ojos son ascuas vivas.

—How do you do? —saluda Pobes, cordialmente, sin pararse a pensar en lo imposible de la aparición. Una cosa son las leyes de la probabilidad y otra la cortesía. En la Antártida una cosa nunca se confunde con la otra.

—Have you seen Roald Admundsen? —contesta el otro, con un inconfundible acento britón, que, junto a los harapos que apenas le defienden contra el frío y el rostro familiar de las inevitables lecturas polares, delatan de quién se trata. Carlos Pobes comprende que tiene delante al mismísimo capitán Robert Scott, o, para ser exactos, a su fantasma.

—No, no soy Admundsen —niega nuestro héroe —. Se ha confundido de siglo. Estamos en 2012. Amundsen llegó aquí tres semanas antes que usted, pero de eso hace 101 años. Posiblemente usted es un espectro. La única razón que se me ocurre para explicar su presencia es la efemérides capicúa.

—Ah —opina Scott —. Usted debe ser un científico. En otro caso no se le ocurriría la peregrina idea de relacionar una aparición sobrenatural con las propiedades numéricas de su aniversario.

—Ahora que lo dice… —duda Carlos.

—Déjeme asegurarle que el año capicúa no tiene nada que ver con mi visita —se reafirma Scott —. Mi ectoplasma sólo se condensa en presencia de otros héroes antárticos como yo mismo. ¿Es usted un héroe antártico?

—Hombre yo… no creo —titubea Pobes, siempre modesto.

—¡Ah, estos jóvenes! —exclama Scott —. Pues claro que lo es, hombre. ¿Qué haría usted aquí, en otro caso? ¿Cómo justifica su presencia, durante todo un año en esta base Polar, su devoción absoluta a su profesión, su espíritu de aventura?

—Verá, es parte de mi trabajo… —ofrece Carlos.

—¿De veras? ¿Todos los científicos hacen aventura de su oficio? Todos ellos viajan a lugares remotos, donde día y noche se confunden para realizar su vocación? ¡Si ese es el caso, el mundo futuro ha progresado mucho!

—No es del todo así… —se disculpa Carlos.

 —¡Lo suponía! Dígame: ¿le han ofrecido ya una cátedra, como premio a su innegable talento? ¿Quizás una dirección general? ¿Un simple subsecretariado? ¿Invertirá el gobierno de su país cantidades sustanciales en financiar tan maravillosa aventura como veo a mi alrededor, inspirados por su valentía?

—Mucho me temo… —empieza el atribulado español.

—¿Lo ve? —interrumpe el militar inglés —. ¡Usted no es más que un chiflado como yo! Nada de cátedras ni de cargos ministeriales, ¿eh? Por eso me está viendo, querido amigo. Sólo me aparezco a los insensatos.

—¡Pero usted ha inspirado a generaciones enteras de aventureros y también de científicos! —contraataca Pobes.

—Me alegro, muchacho, me alegro —asiente el capitán, palmeándole en el hombro con una mano robusta y viril, que poco tiene de fantasmagórica —. Así que winterover, eh?

—Para servirle —el zaragozano no puede evitar ser un tipo bien educado, por más que se encuentre en las Antípodas del mundo.

—Espero que narres todo lo que has vivido, Carlos —Scott le toma del brazo, con confianza, el gesto amistoso refuerza el tuteo, claramente el fantasma se encuentra a gusto con el físico español —. Es tu obligación.

—¿Usted cree?

—¡Pues claro! Cuéntale a la gente lo bello y desolado que es este lugar. Algunos nos dejamos la piel aquí por puro amor, ¿sabes? Háblales de los neutrinos, aún más fantasmagóricos que tu seguro servidor. Explícales por qué lo que haces vale la pena.

—¿Lo vale? —en los tiempos que corren, incluso los héroes como Pobes tienen sus dudas.

—¡Pues claro, hombre! El mundo ya tiene bastante miseria con las finanzas y los políticos. Hace falta una voz viva que les recuerde que la naturaleza es bella, misteriosa, terrible…

—¡Tiene razón! —exclama Carlos —. Lo haré.

—Así me gusta —concluye Scott, satisfecho —. Y ahora dime: has visto por ahí a a Roald Admundsen?

Fotógrafos del Universo

Esta entrada ha sido escrita por Laura Morrón (@lauramorron)

La observación del universo siempre ha sido una fuente primordial de conocimiento. Sin embargo, la tecnología de detección desarrollada hasta ahora,  no ha permitido desentrañar secretos fundamentales de la astrofísica y la cosmología. Con el fin de dar respuesta a algunas de estas cuestiones, el proyecto Ice Cube tiene como objetivo realizar una representación de las zonas inexploradas del Universo. Los fotógrafos encargados de la misión son los neutrinos de alta energía y el detector que construirá la imagen a partir de los datos de estas partículas, un gigantesco bloque de hielo enterrado en las profundidades del manto glacial antártico.

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