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Gato, no te escondas que te voy fotografiar igual

scaredy-cat-660x350Zeilinger y su gente han conseguido rizar el rizo cuántico.  En esta ocasión han logrado fotografiar un gato, la figura de un gato, sin que los fotones que llegan a la placa fotográfica hayan tenido contacto con él en ningún momento.

Este experimento es interesante por varios motivos.  Para empezar porque es puramente cuántico, no hay forma de dar una explicación clásica basada en ondas electromagnéticas del mismo.  Además, se basa en dos de los hechos cuánticos por antonomasia, la superposición cuántica y el entrelazamiento, dos de las piedras angulares que, parafraseando a Feynman, continene todos los misterios de la mecánica cuántica.  (Entiéndase aquí por misterios los hechos cuánticos que están alejados de cualquier experiencia cotidiana de la que podamos echar mano).

Hoy se publica en la revista Nature el artículo:

Quantum imaging with undetected photons (Nature) doi:10.1038/nature13586

del que hay una versión libre en arXiv:

Quantum imaging with undetected photons

En esta entrada vamos a dar los ingredientes necesarios para entender el experimento y explicaremos el mismo de una forma pormenorizada.

He de agradecer a @aberron que haya llamado mi atención sobre este resultado que de otro modo se me hubiera pasado con total seguridad. No dejes de leer su entrada acerca del experimento para tener una visión general, directa y entendible.  Entrada: Más difícil todavía, cómo fotografiar al gato de Schrödinger sin verlo.

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La soledad del fotón

Una entrada anterior ha suscitado cierta polémica sobre si un determinado efecto era clásico o cuántico. Si el uso de la cuántica no era más que un capricho para parecer más guays.

La sensación que me ha dado la discusión, y esto es una apreciación personal, es que hay ciertas reticencias a que la cuántica sea la que marque las normas. No entiendo el porqué. La cuántica ha superado todas las pruebas experimentales durante su siglo (aproximadamente) de existencia.  Y aquí deberíamos insistir en que los experimentos se diseñan generalmente para mostrar que la cuántica se equivoca. Y hasta el momento nadie ha conseguido un resultado positivo en este sentido.

Por eso quiero dedicar unas cuantas líneas a aclarar ciertas confusiones que pueden generarse con estos ejemplos experimentales o con las discusiones que se presentan a la luz de los mismos.

La entrada en cuestión:   Dime fotón, ¿de dónde vienes?

Y para que conste… A mí los clásicos me encantan.

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No solo del Higgs vive la masa

Sabemos que el Higgs es el responsable de dar masa a ciertas partículas. Sin embargo, no toda la masa de las cosas que nos rodean vienen de la interacción con el Higgs.

Vamos a ver cómo gran parte de la masa de las cosas viene por efectos que no están relacionados con el Higgs.

Simetría gauge y masa

En el blog hemos discutido muchas veces que el modelo estándar se construye sobre la base de la existencia de unas simetrías que nos dan la forma de interacción de las partículas elementales, la simetría gauge.

Este principio de simetría es muy potente por dos motivos:

  1. Nos dice las cargas asociadas a cada interacción.
  2. Nos da la forma precisa de dichas interacciones.

Pero como contrapartida tenemos un problemita, las teorías gauge solo funcionan si las partículas no tienen masa.  Para una discusión sobre este tema os dejo dos entradas:

¿Qué es el Higgs?  Donde se habla de estos temas de gauge y masa.

El fotón y la masa. Donde se muestra porqué una teoría gauge impide que una partículas como el fotón, el bosón mensajero de la interacción electromagnética, no puede tener masa por cuestiones de simetría.

El mecanismo de Higgs es una forma de que las partículas (algunas de ellas) adquieran masa de forma compatible con la simetría gauge.

Lo que sabemos es que por simetría gauge ni fotones, ni los bosones de la interacción débil Z^0, W^+ y W^-, ni los gluones, etc, deberían de tener masa. Y experimentalmente sabemos que todas las partículas, excepto el fotón, tienen masa. Los bosones de la interacción débil tienen masas comparables a núcleos de elementos tan pesados como el oro.  Aquí es donde el Higgs juega su papel, según este mecanismo el campo de Higgs es capaz de acoplarse con distintos bosones mensajeros y con fermiones como el electrón, quarks y neutrinos para dotarlos de masa sin violar de forma flagrante la simetría gauge.

El protón y el neutrón

Cuando miramos un átomo está constituido por un núcleo y sus electrones orbitales.  Echando cuentas uno puede comprobar que la masa del átomo está esencialmente en su núcleo. Entre un 95% y un 99% de la masa del átomo le corresponde al núcleo.

Los núcleos están constituidos por protones y neutrones. A su vez, se sabe experimentalmente que neutrones y protones, los nucleones, están formados por quarks.

Un protón está constituido por dos quarks de tipo up y un quark de tipo down. El neutrón, a su vez, está constituido por dos quarks de tipo down y un quark de tipo up.

Esta imagen simplista nos dice que con estos tres quarks se pueden entender las propiedades básicas de los nucleones como su carga eléctrica y su espín. Pero, la realidad nos depara sorpresas.

Cuando lanzamos electrones muy energéticos contra nucleones, lo que se llama experimentos de dispersión inelástica profunda, podemos ver la estructura interna de los mismos.

Entonces encontramos este resultado al medir una cosa llamada factor de forma (que nos habla de la estructura interna de los nucleones):

Sin embargo, teóricamente esto NO CORRESPONDE con una estructura interna de solo tres quarks.  Los modelos teóricos:

Es decir, un nucleón es algo que tiene tres quarks que determinan sus propiedades tipo carga y espín. Pero además, está lleno de gluones (los que transmiten la interacción fuerte) y pares de quark/antiquark que se crean en su interior y se reabsorben.

La imagen pictórica más acertada sería algo así:

La masa de los nucleones

Si uno presupone que un nucleón solo está compuesto por tres quarks (de los tipos u y d) y supone que estas partículas se mueven dentro de los nucleones de forma no relativista (velocidades bajas) puede estimar la masa de los mismos. El resultado es que la masa de los quarks es m_q\approx 310MeV, que es aproximadamente 1/3 de la masa de los nucleones.  Pero como hemos visto, esto es incorrecto.

La interacción que importa para entender la estructura de los nucleones es la interacción fuerte. Esta interacción opera entre quarks y se considera que está mediada por gluones.

Los quarks tienen una carga que les permite interactuar entre ellos intercambiando gluones, la carga de color, que puede tomar tres valores, rojo, verde y azul. (Para una explicación de la carga de color y su aparición en escena: ¿Coloreamos?  y Extrañas estrellas extrañas)

Una diferencia esencial entre la interacción fuerte y el electromagnetismo es la siguiente:

  1. Cuando dos cargas eléctricas están mas cerca sienten mayor intensidad del campo eléctrico de la otra.
  2. Con la interacción fuerte pasa al revés, cuanto más cerca están los quarks menos intensidad de la interacción fuerte sienten. A esto se le llama libertad asintótica.
  3. Sin embargo, si intentamos separar dos quarks la intensidad aumenta tanto que no somos capaces de tener un quarks aislado. Esto se llama confinamiento.

El confinamiento de los quarks es debido a que en la naturaleza solo están permitidas conformaciones neutras de color. Para conseguir tal combinación tenemos que tener una configuración de color/anticolor o de rojo/verde/azul.

Es por eso que conocemos los mesones (quark-color/antiquark-anticolor) y los bariones (3 quarks cada uno con un color distinto).

Cuando estudiamos la interacción fuerte, la cromodinámica, encontramos una escala de energía (y por tanto de tamaños), la constante de acoplo \Lambda_{QCD}. (Para entender la relación entre energías y longitudes: Unidades Naturales).

Los quarks up y down tienen unas masas muy pequeñas comparadas con la escala de la cromodinámica:

m_q<<\Lambda_{QCD}

Esto nos indica que la masa de los quarks por si mismos, (generada por el Higgs), contribuye muy poco a la energía de un nucleón. Además, indica que los quarks dentro de los nucleones se mueven de forma relativista.

Por lo tanto, gran parte de la masa de los nucleones está generada no por el Higgs sino por la escala de energía a la que la cromodinámica nos dice que los quarks tienen libertad asintótica.

Hacer el cálculo exacto de la masa de los nucleones es muy complicado. La teoría no admite aproximaciones que simplifiquen el cálculo ya que a las energías en la que nos movemos los quarks están confinados. Esto hace que dicho cálculo sea toda una odisea técnica. Hay algunos resultados interesantes en cromodinámica cuántica en redes. En estos cálculos el espaciotiempo se sustituye por una malla en la que en los nodos están los quarks y en las uniones entre nodos aparecen los gluones.

Con estas técnicas matemáticas se ha podido calcular la masa de los nucleones con cierto éxito (aunque no es totalmente satisfactorio por el momento):

Introduciendo a mano las masas de algunas partículas hadrónicas (mesones y bariones) se ha podido predecir las masas de otras partículas.  En la figura tenemos representados los datos puestos a mano por los puntos azules, los rojos son los predichos por el cálculo en la malla y se prepresentan los errores que se introducen en el cálculo. Las líneas negras son los valores experimentales.

Así que podemos concluir que gran parte de la masa de las cosas que nos rodean no vienen de la mano del Higgs sino que hay que buscarla por las características de la interacción fuerte. Todavía nos queda mucho por aprender de la estructura de la materia.

Para ampliar información podéis bucear en el blog de Francis:

Quarks, gluones, masa.

Y este artículo de Frank Wilczek: Origin of mass

Nos seguimos leyendo…

El fotón y la masa

Pedazo de calabaza.

El tema de la masa del fotón es muy controvertido. Es evidente que es difícil de tragar eso de que los fotones no tienen masa. En nuestra vida diaria estamos acostumbrados a que todo lo que nos rodea tiene masa y aceptar que haya algo sin ella no es trivial del todo.

¿Pero por qué narices se empeñan los físicos en repetir que el fotón no tiene masa?

¿Acaso el fotón no tiene energía? ¿Entonces no es válida la relación E=mc^2?

Estas son preguntas que se repiten una y otra vez y que son ciertamente complicadas de responder. Esta entrada, que se preveé árida, intentará dar los argumentos teóricos existentes para mostrar el por qué se dice que el fotón es una partícula sin masa.

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¿Qué es el Higgs?

Ahora que estamos en plena resaca del descubrimiento del Higgs en el LHC podemos preguntarnos ¿Qué es el Higgs?. Hay magníficas entradas al respecto en muchos blogs que han tratado de explicar el Higgs y su descubrimiento, valgan como ejemplos:

El Higgs en el blog de Francis

CERN encuentra el bosón de Higgs en Conexión Causal

Confirmado: El CERN encuentra el bosón de Higgs en Hablando de ciencia

En esta entrada vamos a intentar explicar qué es el Higgs, para qué es necesario y qué problemas resuelve. Intentaré hacer una discusión simple, posiblemente no tan precisa como las entradas anteriores, pero que deje entrever la importancia de este descubrimiento.

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