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21 de marzo de 2012

Si no quieres envejecer tan rápido, no te subas a una escalera


Einstein ya se dio cuenta: si subes a una escalera, envejecerás más deprisa. Ello se debe a que, cuanto más fuerte sea el campo gravitatorio, más rápido será el movimiento y mayor la dilatación temporal (es decir, más despacio transcurrirá el tiempo).

O sea, que cuanto más lejos estemos de una fuente gravitatoria (es decir, cuanto menos experimentemos la fuerza de la gravedad), más rápidamente transcurrirá el tiempo para nosotros. Al subir una escalera, nos alejamos de la Tierra, y por eso la fuerza de gravedad que actúan sobre nosotros disminuye. Físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han demostrado que este efecto también sucede con una diferencia de altura de solo 33 centímetros.

Por ejemplo, si subimos hasta la última planta del Empire State Building, que está a 380 metros de altura, y permaneciéramos allí durante 79 años… perderíamos 0,000104 segundos de nuestra vida.

No es demasiado tiempo, ni siquiera el suficiente para pestañear, pero a mayor altura las cosas pueden ser más significativas. Por ejemplo, en los satélites GPS, que están a una altura de 20.000 km, deben adelantarse los relojes 45 microsegundos al día. Si no se hicieran este tipo de correcciones, en 2 minutos la lectura de un GPS se volvería imprecisa. Al día, habría errores de 10 km al fijar una posición.

Si nos fuéramos a Marte, al ser un planeta más pequeño y ligero que la Tierra, y por tanto con una gravedad inferior (dos quintas partes la nuestra), envejeceríamos más rápido que aquí. De hecho, la superficie de Marte es 3 años más vieja que la superficie de la Tierra debido a la dilatación temporal gravitatoria.

En el extremo contrario, existe un lugar donde envejeceríamos mucho más lentamente. El otro día os hablé de él, en el artículo Comparando una estrella de neutrones con Manhattan. En efecto, una estrella de neutrones es un lugar ideal para mantenerse joven y lozano (respecto a los que vivimos en la Tierra), el lugar donde se irían a mudar los adictos al botox (si pasarían un tiempo en la estrella, y luego volverían a la Tierra para restregarnos su juventud), la residencia de la tercera edad ideal.

Las estrellas de neutrones son tan densas que una simple cucharadita de la materia superdensa de una estrella de neutrones puede pesar cientos de millones de toneladas. La estrella de neutrones más masiva que se ha visto nunca fue referida en 2010 por un grupo internacional de astrónomos: un púlsar que está a 3.000 años luz de la Tierra y que gira sobre sí mismo 317 veces por segundo. Una gravedad tan extrema desemboca en una enorme dilatación temporal. De promedio, el tiempo que experimenta un observador en el espacio por cada 60 minutos que alguien se encuentra en una estrella de neutrones es de 65 minutos.

Fuente:

Xakata Ciencia

2 de marzo de 2012

Nuevo giro en misterio de la antimateria

Estadísticas de un 'descubrimiento'

Un cuarto de dólar
  • La Física de Partículas tiene una definición aceptada para un "descubrimiento": un nivel sigma cinco de certeza
  • El número de desviaciones estándar, o sigmas, es una medida de cuán improbable es que un resultado experimental sea simplemente consecuencia del azar en lugar de un efecto real
  • Del mismo modo, lanzar una moneda y obtener una cantidad de caras seguidas podría ser sólo producto del azar, más que un indicio de una moneda trucada
  • El nivel "sigma tres" representa la misma probabilidad que sacar más de ocho caras consecutivas
  • El sigma cinco, por otra parte, correspondería a sacar más de 20 seguidas
  • Con la confirmación independiente por otros experimentos, los hallazgos de sigma cinco se convierten en descubrimientos aceptados
Acelerador Tevatron

CDF fue uno de dos experimentos polivalentes en el Acelerador Tevatron cerca de Chicago.

Un equipo de físicos han dado un paso en sus esfuerzos para entender por qué el Universo está dominado por la materia, en lugar de su oscuro opuesto, la antimateria.

Un experimento estadounidense confirmó hallazgos previos que insinúan fenómenos fuera de nuestro entendimiento de la física.

Los resultados muestran que ciertas partículas de materia se deterioran de un modo diferente que sus contrapartes de antimateria.

Tales diferencias podrían ayudar potencialmente a explicar por qué hay en el cosmos mucha más materia que antimateria.

Los hallazgos de los científicos que trabajan en el experimento CDF fueron presentados en una reunión de Física de Partículas en La Thuile, Italia.

El CDF fue uno de dos experimentos polivalentes en el ahora extinto Acelerador de partículas Tevatron en Illinois.

Los físicos creen que el intenso calor del Big Bang debería haber forjado cantidades iguales de materia y su "imagen en el espejo", antimateria. Aún así, hoy vivimos en un Universo compuesto abrumadoramente de materia.

La antimateria es relativamente poco común, al ser producida en aceleradores de partículas, en reacciones nucleares o por rayos cósmicos. Llegar al fondo de a dónde fue toda esta antimateria sigue siendo uno de los grandes esfuerzos de la física de partículas.

Los resultados más recientes respaldan los hallazgos del experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones, que se anunciaron en noviembre de 2011.

Hablando de partículas...

Gran Colisionador de Hadrones

El LHCb es un enorme detector diseñado para examinar la violación CP.

Tanto el CDF como el LHCb han estado observando el proceso por el cual partículas subatómicas llamadas Mesón-D se deterioran -o transforman- en otras. Por ejemplo, las Mesón-D están hechas de partículas conocidas como Quarks encantados, y pueden desmoronarse en kaones y piones.

Nuestra mejor comprensión de la física hasta ahora, conocida como el Modelo estándar de Física de Partículas, sugiere que las complicadas cascadas de desmoronamiento de Mesones-D en otras partículas deben ser casi las mismas -menos de 0,1%- que una cadena similar de desmoronamientos de antimateria.

Pero el equipo del LHCb reportó una diferencia de un 0,8%, mientras que el equipo del CDF ha presentado ahora datos que muestran una diferencia de 0,62%.

Obtener una medida tan similar al LHCb fue "un poco sorpresiva" según el portavoz de CDF, Giovanni Punzi, porque fue un "resultado muy inusual".

Punzi dijo a la BBC que "el hecho de que dos experimentos separados hayan encontrado esto usando métodos diferentes -ambientes diferentes- es muy interesante".

El profesor Punzi, de la Universidad de Pisa y el Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia (INFN), expresó que es probable que esto "haga cambiar la opinión de mucha gente acerca de que sea apenas uno de esos efectos, a algo que será considerado una observación confirmada, debido a este resultado independiente".

¿Una nueva física?

Explicó que cuando los resultados del CDF y el LHCb se combinan, la significación estadística casi alcanza el nivel sigma cuatro de certeza. Esto equivale a aproximadamente una oportunidad en 16.000 de que la observación se reduzca a un capricho estadístico en la información.

La doctora Tara Shears, una física de partículas de la Universidad de Liverpool que trabaja en el experimento LHCb, dijo a la BBC: "Todavía no sabemos si estamos viendo las primeras señales de una nueva física o si estamos empezando a entender mejor el Modelo estándar de física de partículas.

"Lo que hemos visto es un indicio que vale la pena explorar. Y el hecho de que el CDF vea el mismo efecto que el LHCb es una confirmación de que realmente vale la pena".

Punzi se hace eco de estos puntos de vista: "Este efecto es definitivamente mucho más grande que nada que se haya pronosticado. Así que habrá discusiones entre los teóricos, preguntando: 'Es esto realmente una nueva física, o nos equivocamos con nuestros cálculos?'"

El dominio de la materia en el Universo es posible sólo si hay diferencias en el comportamiento de las partículas y las antipartículas.

Los físicos ya habían visto semejantes diferencias, conocidas como "Violación CP". Pero estas diferencias conocidas son demasiado pequeñas para explicar por qué el Universo parece preferir la materia a la antimateria.

Hay otro experimento que mostró una significativa "asimetría" de la materia sobre la antimateria. En junio de 2010, los físicos que trabajaban en el experimento DZero de Tevatron reportaron haber visto una diferencia de 1% en la producción de pares de partículas muones (materia) y pares de antimuones (antimateria).

El Tevatron fue cerrado en septiembre del año pasado, después de que el gobierno estadounidense rechazó una propuesta para financiarlo hasta 2014, pero los científicos continúan analizando datos recogidos hasta el mismo final de las operaciones.

Fuente:

BBC Ciencia

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24 de febrero de 2012

Un cable flojo parece reivindicar a Einstein

Albert Einstein

Parece que, después de todo, Einstein tenía razón y nada viaja más rápido que la luz.

Los resultados del polémico estudio en el que partículas subatómicas se desplazaban más rápido que la velocidad de la luz podrían explicarse por la mala conexión de un cable, informó la revista Science Insider.

El experimento, efectuado en septiembre pasado, puso en duda un principio fundamental de la física, central en la la Teoría de la Relatividad de Albert Einstein.

Pero, según la revista, el sorprendente hallazgo podría haber sido resultado de una mala conexión entre un computador y el Sistema de Posicionamiento Global (GPS, por sus siglas en inglés), empleado para medir el tiempo de viaje de los partículas.

Para el experimento, se enviaron neutrinos desde el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), ubicado en Ginebra, Suiza, a otro laboratorio sitiado a 730 kilómetros de distancia.

Y al revisar los datos los científicos encontraron que estos parecían completar el viaje 60 milmillonésimas de segundo más rápido que lo que hubiese hecho la luz recorriendo la misma distancia sin ningún obstáculo.

clic Lea: Desconcierto por hallazgo de partícula que parece superar la velocidad de la luz

Al revisar la conexión y medir el tiempo que toman los datos en recorrer la longitud del cable de fibra óptica, sin embargo, los investigadores encontraron que los datos llegan 60 nanosegundos antes de lo esperado.

Y como este intervalo de tiempo se le resta al tiempo total del viaje, eso podría explicar la llegada temprana de los neutrinos en el estudio pasado.

Nuevos estudios

Neutrinos en el CERN

El experimento había sido conducido por el Centro Europeo para la Investigación Nuclear, CERN.

Nuevos datos, sin embargo, serán necesarios para confirmar esta nueva hipótesis.

Y es que el error que pudo haber llevado a los científicos a sobrestimar el tiempo de viaje de los neutrinos también puede haber sido generado por el oscilador electrónico que provee las marcas de tiempo para las sincronizaciones del GPS.

Por eso los científicos de CERN esperan realizar nuevos estudios, con otras tecnologías de fibra óptica, en mayo próximo.

Como explicó en su momento el periodista de la BBC Jason Palmer, varios científicos ya habían manifestado su escepticismo frente al estudio y advertido de la posibilidad de un error, pues el descubrimiento cuestionaba la teoría de Einstein según la cual nada puede viajar más rápido que la luz.

clic Lea: "¿Tenía razón Einstein?: dudan que los neutrinos viajen más rápido que la luz"

Y es que, desde que Einstein reveló sus descubrimientos en 1915, la ciencia no había hecho sino corroborarlos.

Y ahora parece que un cable flojo vuelve a reivindicarlo.

Fuentes:

BBC Ciencia

Lea además:

Dos errores cuestionan la velocidad de los neutrinos

Neutrinos desconectados de la realidad

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5 de febrero de 2012

Investigadores logran capturar la luz en movimiento a un billón de fotogramas por segundo

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Novedosas técnicas de fotografía computacional permiten ver el proceso de formación de una imagen en un espejo, la dispersión de la luz en un líquido o las ondas de propagación de un frente de luz viajando por una escena.

Investigadores del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) de la Universidad de Zaragoza y del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han logrado capturar la luz en movimiento a un billón de fotogramas por segundo. Esta tecnología podrá ser aplicada en numerosos ámbitos como el de medicina, ingeniería o de la educación. Y es que la captura de la luz a esta velocidad permite, por primera vez, observar fenómenos como el proceso de formación de una imagen en un espejo, la dispersión de la luz en un líquido o las ondas de propagación de un frente de luz viajando por una escena.

En concreto, investigadores del Graphics and Imaging Lab del Grupo de Informática Gráfica Avanzada (GIGA) del I3A han participado en la visualización de la información obtenida por un hardware de captura, recodificando la información temporal de un pulso de luz en información espacial en el sensor, creando lo que se llama una "streak image" y construyendo las imágenes y vídeos finales a partir de ahí, mediante novedosas técnicas de fotografía computacional.

Diego Gutiérrez, investigador responsable del Graphics and Imaging Lab, destaca que esta tecnología puede tener aplicaciones futuras en campos muy diversos. Por ejemplo, podría estudiarse cómo ciertas radiaciones afectan a distintos tejidos humanos o analizarse el comportamiento y composición de algunos materiales en ingeniería. A nivel educativo, las posibilidades son inmensas, dado que pueden visualizarse fenómenos reales jamás observados hasta la fecha y ayudar en la docencia de la óptica, al explicar cómo funciona la luz al atravesar una lente, por ejemplo, o en física, al interactuar con objetos.

El Graphics and Imaging Lab, cuyo núcleo está en la actualidad formado por dos profesores universitarios, un estudiante posdoctoral y siete estudiantes de doctorado, está desarrollando también herramientas para la simulación de entornos virtuales personalizados y seres humanos virtuales de apariencia realista, dentro del marco de dos proyectos europeos del VII Programa Marco (proyectos GOLEM y VERVE). Los campos de aplicación de su investigación van desde el tratamiento de pacientes con riesgo de exclusión social debido a diferentes fobias, a estudios neurológicos y psicológicos dentro del mundo de la realidad virtual, así como el desarrollo de tecnologías aplicables a películas y videojuegos.

Fuente:

El Economista

21 de diciembre de 2011

Nada es más rápido que la luz

¿Por qué la materia no puede moverse más deprisa que la velocidad de la luz?

Fotones que salen disparados a la velocidad de c. ¿Qué podría seguirlos?

Para contestar esta pregunta hay que advertir al lector que la energía suministrada a un cuerpo puede influir sobre él de distintas maneras. Si un martillo golpea a un clavo en medio del aire, el clavo sale despedido y gana energía cinética o, dicho de otra manera, energía de movimiento. Si el martillo golpea sobre un clavo, cuya punta está apoyada en una madera dura e incapaz de moverse, el clavo seguirá ganando energía, pero esta vez en forma de calor por rozamiento al ser introducido a la fuerza dentro de la madera.

Albert Einstein demostró en su teoría de la relatividad especial que la masa cabía contemplarla como una forma de energía (E = mc2.) Al añadir energía a un cuerpo, esa energía puede aparecer en la forma de masa o bien en otra serie de formas.

En condiciones ordinarias, la ganancia de energía en forma de masa es tan increiblemente pequeña que sería imposible medirla. Fue en el siglo XX (al observar partículas subatómicas que, en los grandes aceleradores de partículas, se movían a velocidades de decenas de miles de kilómetros por segundo) cuando se empezaron a encontrar aumentos de masa que eran suficientemente grandes para poder detectarlos. Un cuerpo que se moviera a unos 260.000 Km por segundo respecto a nosotros mostraría una masa dos veces mayor que cuando estaba en reposo (siempre respecto a nosotros).

La energía que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en él de dos maneras distintas:

  1. En forma de velocidad, con lo cual aumenta la rapidez del movimiento.
  2. En forma de masa, con lo cual se hace “más pesado”.

La división entre estas dos formas de ganancia de energía, tal como la medimos nosotros, depende en primer lugar de la velocidad del cuerpo (medida, una vez más, por nosotros).

Si el cuerpo se mueve a velocidades normales, prácticamente toda la energía se incorpora a él en forma de velocidad: se moverá más aprisa sin cambiar su masa.

A medida que aumenta la velocidad del cuerpo (suponiendo que se le suministra energía de manera constante) es cada vez menor la energía que se convierte en velocidad y más la que se transforma en masa. Observamos que, aunque el cuerpo siga moviéndose cada vez más rápido, el ritmo de aumento de velocidad decrece. Como contrapartida, notamos que gana más masa a un ritmo ligeramente mayor.

En gracia quizás podamos superarla pero, en velocidad…no creo, c es el tope que impone el Universo para la velocidad.

Al aumentar aún más la velocidad y acercarse a los 299.792’458 Km/s, que es la velocidad de la luz en el vacío, casi toda la energía añadida entra en forma de masa. Es decir, la velocidad del cuerpo aumenta muy lentamente, pero la masa es la que sube a pasos agigantados. En el momento en que se alcanza la velocidad de la luz, toda la energía añadida se traduce en masa que, llegado a cierto límite, podría ser infinita y, como infinito no hay nada, nos quedamos con que nunca, nada, podrá sobrepasar esa velocidad.

El cuerpo no puede sobrepasar la velocidad de la luz porque para conseguirlo hay que comunicarle energía adicional, y a la velocidad de la luz toda esa energía, por mucha que sea, se convertirá en nueva masa, con lo cual la velocidad no aumentaría ni un ápice.

Todo esto no es pura teoría, sino que tal como ha sido comprobado, es la realidad de los hechos.

¿Que velocidad podría ser la de la luz en otros mundos paralelos que pudieran existir fuera de nuestro universo?

La velocidad de la luz es la velocidad límite en el universo. Cualquier cosa que intente sobrepasarla adquiriría una masa infinita, y, siendo así (que lo es), nuestra especie tendrá que ingeniarse otra manera de viajar para poder llegar a las estrellas, ya que, la velocidad de la luz nos exige mucho tiempo para alcanzar objetivos lejanos, con lo cual, el sueño de llegar a las estrellas físicamente hablando, está lejos, muy lejos. Es necesario encontrar otros caminos alejados de naves que, por muy rápida que pudieran moverse, nunca podrían transpasar la velocidad de la luz, el principio que impone la relatividad especial lo impide, y, siendo así, ¿cómo iremos?

La velocidad de la luz, por tanto, es un límite en nuestro universo; no se puede superar. Siendo esto así, el hombre tiene planteado un gran reto, no será posible el viaje a las estrellas si no buscamos la manera de esquivar este límite de la naturaleza, ya que las distancias que nos separan de otros sistemas solares son tan enormes que, viajando a velocidades por debajo de la velocidad de la luz, sería casi imposible alcanzar el destino deseado.

De momento sólo con los Telescopios podemos llegar tan lejos.

Los científicos, físicos experimentales, tanto en el CERN como en el FERMILAB, aceleradores de partículas donde se estudian y los componentes de la materia haciendo que haces de protones o de muones, por ejemplo, a velocidades cercanas a la de la luz choquen entre sí para que se desintegren y dejen al descubierto sus contenidos de partículas aún más elementales. Pues bien, a estas velocidades relativistas cercanas a c (la velocidad de la luz), las partículas aumentan sus masas; sin embargo, nunca han logrado sobrepasar el límite de c, la velocidad máxima permitida en nuestro universo.

Es preciso ampliar un poco más las explicaciones anteriores que no dejan sentadas todas las cuestiones que el asunto plantea, y quedan algunas dudas que incitan a formular nuevas preguntas, como por ejemplo: ¿por qué se convierte la energía en masa y no en velocidad?, o ¿por qué se propaga la luz a 299.793 Km/s y no a otra velocidad?

Sí, la Naturaleza nos habla, simplemente nos tenemos que parar para poder oír lo que trata de decirnos y, entre las muchas cosas que nos dice, estarán esos mensajes que nos indican el camino por el que debemos coger para burlar a la velocidad de la luz, conseguir los objetivos y no vulnerar ningún principio físico impuesto por la Naturaleza.

La única respuesta que podemos dar hoy es que así, es el universo que nos acoge y las leyes naturales que lo rigen, donde estamos sometidos a unas fuerzas y unas constantes universales de las que la velocidad de la luz en el vacio es una muestra.

A velocidades grandes cercanas a la de la luz (velocidades relativistas) no sólo aumenta la masa del objeto que viaja, sino que disminuye también su longitud en la misma dirección del movimiento (contracción de Lorentz) y en dicho objeto y sus ocupantes – si es una nave – se retrasa al paso del tiempo, o dicho de otra manera, el tiempo allí transcurre más despacio.

A menudo se oye decir que las partículas no pueden moverse “más deprisa que la luz” y que la “velocidad de la luz” es el límite último de velocidad. Pero decir esto es decir las cosas a medias, porque la luz viaja a velocidades diferentes dependiendo del medio en el que se mueve. Donde más deprisa se mueve la luz es en el vacío: allí lo hace a 299.792’458 Km/s. Este sí es el límite último de velocidades que podemos encontrar en nuestro universo.

Tenemos el ejemplo del fotón, la partícula mediadora de la fuerza electromagnética, un bosón sin masa que recorre el espacio a esa velocidad antes citada. Hace no muchos días se habló de la posibilidad de que unos neutrinos hubieran alcanzado una velocidad superior que la de la luz en el vacío y, si tal cosa fuera posible, o, hubiera pasado, habríamos de relagar parte de la Teoría de la Relatividad de Einstein que nos dice lo contrario y, claro, finalmente se descubrió que todo fue una falsa alarma generada por malas mediciones. Así que, la teoría del genio, queda intacta.

¡La Naturaleza! Observémosla.

Fuente:

Blog de Emilio Silviera

2 de diciembre de 2011

"Cuando las estrellas se detengan"

Don Marcial Lafuente y sus altísimos vaqueros

Aquellos libritos valían, si la memoria no me falla, 5 o 6 pesetas, pero era mucho más económico cambiarlos que comprarlos. La fórmula era la siguiente: por la primera novelita se pagaba un duro, que mi padre me daba sin renegar, porque en mi casa no se regateaba el dinero para lectura, aunque había poco —había poco dinero en mi casa y en el país, allá por 1972 o 1973, antes de la democracia, la movida, el boom del ladrillo y la vida a crédito—. Lo de novelita era literal, cabían en el bolsillo del pantalón, solían extenderse por unas 100 o 150 páginas, estaban escritas en un papel ceniciento, sobadísimo de tanto cambiar de manos. Las había de tres tipos. Románticas, del oeste y de ciencia ficción. A mis trece años, las novelas románticas me traían sin cuidado. Las del oeste, que firmaba el entrañable don Marcial Lafuente Estefanía, me aburrieron pronto. Decía Borges que todas las historias de la literatura universal eran más o menos iguales —alguien nace, alguien muere, un forastero llega al pueblo—. En las novelas de Estefanía, siempre llegaba un forastero —altísimo— al pueblo, acribillaba a los malos y se casaba con la chica, que iba alternando entre ser la maestra, la hija del ranchero arruinado, o la puta arrepentida en sus obras más arrebatadas.

Pero las novelas de ciencia ficción eran otra cosa. Aún no consigo explicarme el extraño mecanismo que hizo posible que aquellas obras, casi todas procedentes de los pulp magazines norteamericanos, se tradujeran al castellano y acabaran en aquella colección de tapas negras, con dibujos brillantes y futuristas de cohetes espaciales, planetas con anillos y monstruos alienígenas. Cada sábado compraba (no, canjeaba, ya lo he dicho, pagando 2 o 3 pesetas y dando la novela anterior) una nueva, que normalmente me había acabado el domingo por la tarde o como muy tarde el lunes. Algunas veces me daba tiempo a leerla dos veces antes de ir al quiosco.

Una de las pocas que no cambié, invirtiendo en ella cinco pesetas que me rentaron durante años se llamaba Cuando se detengan las estrellas. He perdido la cuenta de cuantas veces la leí, pero apenas recuerdo ya el argumento, cuarenta años no pasan en balde. Era más o menos así —o así lo estoy reinventando mientras escribo—: el prota moría en la primera página, pero era una muerte de mentirijillas. En la segunda página despertaba fenomenal de salud en un sitio extraño, un mundo confinado en cuyo cielo se movían, velocísimas, las estrellas.

Cuando se detengan las estrellas.

Aquella idea de las estrellas móviles no podía ser más intrigante. ¿Qué podía hacer que las estrellas, fijas desde la Tierra, se desplazaran a toda velocidad en el cielo? A lo largo de la historia, se repetía una y otra vez un oráculo: la vida será menos dura y más tolerable —el mundo al que había despertado nuestro héroe era un lugar asfixiante y autoritario— cuando las estrellas se detengan.

Y al final se detenían y se revelaba el misterio, el mundo de la novela no era sino una gigantesca nave espacial que viajaba a velocidades siderales hacia un planeta virgen, donde empezar de nuevo. No eran las estrellas las que se movían, sino la nave. El efecto era, supuestamente, parecido al de un AVE que pasa a toda velocidad por delante de una hilera de farolas. El observador en la ventanilla cree ver luces corriendo contra su ventana y si el ferrocarril se moviera lo bastante suavemente y el viajero acabara de despertar, amnésico, en el vagón, no tendría manera de saber que es él quien se mueve, en realidad, a bordo de un tren bala.

Si lo pensamos mejor, no obstante, la idea hace agua. ¿Por qué? Porque la nave no podía viajar más deprisa que la luz y las estrellas están muy separadas entre sí. En nuestra metáfora ferroviaria, necesitaríamos cuatro años para llegar desde la primera farola (por ejemplo la Tierra) hasta la farola más cercana (Alpha de Centauri). Así que la luz de ésta nos parecería siempre fija, como fijas nos parecen las estrellas.

Hay una noción que siempre se me ha antojado inquietante. Si todas y cada una de las estrellas de la galaxia excepto el sol se extinguieran de golpe, tardaríamos cuatro años en que nos llegara la primera pista (Alpha de Centauri desaparecería del telescopio) y harían falta 20.000 años para que contempláramos apagarse la Vía Lactea.

Otra forma de decir lo mismo. El universo que contemplamos cada noche ya no existe. El cielo estrellado es una foto fija del pasado, en realidad de muchos pasados superpuestos. La luz que nos llegue esta noche de Sirio, partió de la estrella un año antes de que naciera mi hijo Héctor. La que nos llega del centro de la galaxia empezó su viaje por la época en que el hombre de Cromagnon se extendía por Europa. La fotografía que contemplamos hoy de Andrómeda fue tomada antes de que el Homo Sapiens pisara la Tierra.

Y es que las estrellas se mueven, como quería el autor de la novelita de mi infancia, pero lo hacen relativamente, como pasas en un pastel que se hincha al horno, separándose unas de las otras a medida que la masa se infla. El universo se expande y a medida que lo hace las galaxias —las pasas en el pastel cósmico— se separan entre sí.

Y como pasas en un pastel o lunares en un globo que se hincha, cuanto más distantes están las galaxias más deprisa se separan. La luz, incansable, viaja entre una y otra, agotándose por el camino, corriendo su frecuencia cada vez más al rojo a medida que la distancia a recorrer aumenta.

El tono de la sirena de una ambulancia, o un coche de bomberos suena cada vez más agudo a medida que el coche se aproxima y luego cada vez más bajo a medida que se aleja, un fenómeno que llamamos el efecto Doppler en honor del físico Austriaco del mismo nombre, el primero en caer en la cuenta, allá por 1842. El cambio relativo en frecuencia puede explicarse así. El sonido de la sirena es una onda que se mueve con la ambulancia que lo emite. Cuando la fuente de ondas se mueva hacia el observador —ese héroe de los físicos, armado hasta los dientes con reglas y relojes—, cada una de las sucesivas crestas se emite desde una posición mas cercana (al observador) que la anterior. Por tanto, el tiempo entre la llegada de dos crestas se reduce. Pero el tono de un sonido no es otra cosa que el número de crestas que nuestro oído percibe por segundo, una cantidad que llamamos frecuencia de la onda. A mayor frecuencia, más agudo el tono. Lo contrario ocurre cuando la sirena se aleja. Nuestro oído recibe menos ondas por segundo, la frecuencia baja y con ella el tono del sonido.

Pero la luz también es una onda, o para ser más exactos la descripción de onda le encaja bien en muchas circunstancias (no siempre, como ya veremos un día de estos). Se parece al sonido en el hecho consistir en una sucesión de crestas y valles que se propagan por el espacio. La frecuencia de propagación, eso sí, es mucho más alta. La de las ondas de radio varía, típicamente entre de 10 y 100 MHz (megahercios), o lo que es lo mismo: el oído recibe diez millones de crestas por segundo. El espectro visible está alrededor de los 50 millones de MHz, esto es, el ojo recibe 50 billones de crestas por segundo. También podemos medir la onda en términos de su longitud (que no es sino la inversa de su frecuencia). La longitudes típica de radio se miden en la escala de metros (la longitud de la AM es del orden de 100 metros, la frecuencia modulada unos pocos metros). La longitud de la luz azul es de unos 425 nanómetros (un nanómetro es una millonésima de milímetro), a medio camino entre el tamaño de un virus y el de una bacteria.

Así que la luz que nos llega de una estrella distante también sufre efecto Doppler. A medida que la estrella se aleja, su longitud de onda aumenta. El ojo percibe las longitudes de onda mayores como colores más cálidos, esto es, la luz se va desplazando hacia el rojo. Cuánto más lejos está una estrella más se desplaza al rojo la luz que emite. Y ese desplazamiento al rojo puede medirse en el laboratorio. Lo que observamos en realidad son las líneas de emisión atómica de ciertos elementos, que se van desplazando hacia frecuencias más bajas a medida que observamos la luz de estrellas más distantes.

El efecto Doppler.

De estrellas más distantes. Cuanto más lejos de nosotros está un astro (sea éste un sol como el nuestro o toda una galaxia), más rápido se aleja también. ¿Por qué? Porque el universo está en expansión. Dos lunares en la superficie de un globo que se hincha se alejan uno del otro tanto más velozmente cuanto más separados están.

Y cuanto más lejos la galaxia, más tiempo tarda la luz en llegar, más remota la fotografía. La luz de algunas de las galaxias que observamos ha pasado 7.000 millones de años viajando y nos trae la información de un cosmos en el que se empezaban a formar las estrellas. Y la luz que llega desde el confín del universo ha viajado por casi 14.000 millones de años cuando aún no se habían formado las galaxias. El cielo nocturno es una fotografía de toda la historia del Cosmos, desde la Luna que fue hace un segundo, hasta el jardín de fiera radiación donde jugaban los Dioses niños.

Así que las estrellas nunca se detendrán. El cielo de estrellas fijas que nos maravilla cada noche —o que nos maravillaría, si no viviéramos en ciudades demasiado iluminadas que nos impiden admirarlo— es en realidad un globo que se expande, alejando a cada estrella de su vecina, precipitando lenta, pero inexorablemente cada isla de luz a la soledad. Aunque eso sólo ocurriría si las estrellas vivieran para siempre, pero ni siquiera ellas son inmortales. La mayor parte de las que ahora vemos en el cielo se apagarán, como nuestro propio sol, en unos cuantos miles de millones de años. Pero si no se apagaran jamás el efecto sería el mismo. Cuando la distancia relativa entre las estrellas las haga desplazarse una con respecto a las otras más rápido de lo que pueda viajar la luz, los heroicos observadores que las habitan (impasibles, inmortales, insensibles) las irán viendo desaparecer, una a una, hasta quedarse solos, sin nada que observar.

Fuente:

Jot Down

24 de noviembre de 2011

¿Tenía razón Einstein?: dudan que los neutrinos viajen más rápido que la luz

Los neutrinos son disparados bajo los Montes Apeninos hasta el laboratorio Gran Sasso.

Un nuevo informe indica que las partículas subatómicas llamadas neutrinos no pueden desplazarse más rápido que la velocidad de la luz.

Su conclusión pone en tela de juicio el resultado de un experimento efectuado en septiembre cuyas conclusiones, de ser ciertas, socavarían un principio fundamental de la física del último siglo.

El equipo del laboratorio Gran Sasso en Italia dijo que midieron neutrinos más rápidos que la luz enviados desde el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en inglés) a 730 kilómetros de distancia.

Ahora, en un nuevo informe, un equipo distinto del mismo CERN pone en duda el sorprendente resultado.

El equipo de Icarus, responsable del experimento del mismo nombre, dice que debido a que los neutrinos enviados desde el Cern no parecen haber liberado energía en su camino, no deben haber excedido la velocidad de la luz.

La idea de que nada se puede desplazar más rápido que la velocidad de la luz es un principio central en la física moderna, dando forma entre muchas otras cosas a una parte fundamental de la Teoría de la Relatividad de Albert Einstein.

Dudas científicas

Desde un principio hubo críticos que hablaron de algún tipo de falla en el experimento hecho con la colaboración de Opera (Oscillation Project with Emulsion t-Racking Apparatus), que publicó los primeros asombrosos resultados.

Una de las primeras objeciones con el experimento, cuyos resultados se publicarán formalmente dentro de cinco semanas, apareció en la revista Physical Review Letters, en un artículo en el que aparece como coautor el premio Nobel de Física Sheldon Glashow.

Prisma

La idea de que nada se puede desplazar más rápido que la velocidad de la luz es un principio central en la física moderna.

El profesor Glashow y Andrew Cohen argumentaron que las partículas que se desplazan más rápidamente que la luz deberían emitir más partículas en su trayectorio, liberando energia hasta disminuir su marcha hasta la velocidad de la luz.

El equipo de Icarus ya midió la propagación de energías en neutrinos, detectada en sus instrumentos subterráneos en el Gran Sasso.

Mostraron en un artículo en el archivo Arxiv que las energías de neutrino que midieron concuerdan con desplazamientos más lentos que la velocidad de la luz.

Con la excepción del documento teórico del profesor Glashow, ninguno de los resultados del equipo Opera o del Icarus han sido revisados por la comunidad científica y publicados formalmente.

Sin embargo, la trascendental naturaleza del descubrimiento ha generado una oleada de artículos o teorías para desafiar o apoyar la idea de que las partículas pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz.

Está claro que el tema no quedará resuelto de forma concluyente hasta que otros experimentos en otras partes del mundo efectúen mediciones similares.

Se espera que el experimento Borexino, también en el Gran Sasso, el experimento Minus en EE.UU. y la instalación de Japón T2k publiquen sus resultados de experimentos similares en los próximos meses.

Fuente:

BBC Ciencia

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21 de noviembre de 2011

Resuelven el misterio de las montañas ocultas bajo la Antártida

Otro experimento, no definitivo, respalda la ruptura del límite de velocidad.

Detector de neutrinos en el laboratorio del Gran Sasso. PRINCETON

Detector de neutrinos en el laboratorio del Gran Sasso. PRINCETON

Poco después de que científicos del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) hallaran pruebas en septiembre de que los neutrinos viajan más rápido que la luz, el físico británico Jim Al-Khalili hizo una promesa: "Si se demuestra que el experimento del CERN es correcto, me comeré mis calzoncillos en directo en la televisión". Desde ayer, Al-Khalili, de la Universidad de Surrey, está más cerca, pero todavía lejos, de protagonizar el que sería uno de los shows sobre ciencia más vistos de la historia.

El mismo equipo de científicos del CERN ha repetido una de las carreras más fascinantes que se recuerdan: la galopada subterránea de un grupo de neutrinos desde sus instalaciones en Ginebra al laboratorio italiano del Gran Sasso, a 730 kilómetros de distancia. La photo finish, como ya ocurrió en septiembre, pone los pelos de punta: los neutrinos llegaron a Italia 60 nanosegundos antes que la luz.

Los resultados, todavía en cuarentena, pondrían las leyes del universo patas arriba. Según la teoría de la relatividad de Albert Einstein, nada puede viajar más rápido que la luz. Pero estos neutrinos, partículas subatómicas, avanzan seis kilómetros por segundo más que ella. "El resultado [del ensayo] es ligeramente mejor que el del anterior", ha declarado el físico Dario Autiero, uno de los responsables del experimento. En esta ocasión, a diferencia del test de septiembre, los científicos han espaciado más los haces de neutrinos disparados en Ginebra para conseguir mediciones más precisas de su velocidad. Los resultados se pueden consultar en la web Arxiv.org.

"Han eliminado uno de los posibles errores sistemáticos, pero quedan muchos más", explica con escepticismo Juan José Gómez Cadenas, experto en neutrinos del CSIC. Los físicos del CERN miden la distancia que recorren los neutrinos con GPS, y el tiempo que tardan, con relojes atómicos. "Ambos están expuestos a pequeños errores que pueden conspirar" para alterar el resultado de la carrera, señala.

"El nuevo experimento no es definitivo, pero añade credibilidad", opina José W. F. Valle, del Instituto de Física Corpuscular de Valencia. Valle esgrime argumentos teóricos en contra de la victoria al sprint de los neutrinos. La luz y los neutrinos procedentes de la explosión de la supernova 1987A, a 168.000 años luz, llegaron a la Tierra en 1987 a la misma velocidad. "Los neutrinos tendrían que haber llegado años antes, si fueran más rápidos que la luz", advierte.

Los científicos esperan ahora la repetición de la carrera en el Laboratorio Nacional Fermi, cerca de Chicago (EEUU), que ofrecerá sus primeros resultados a comienzos de 2012.

Fuente:

Público (España)

20 de octubre de 2011

El error de OPERA parece estar ligado a los relojes


Seguro que os acordáis cuando, hace unas semanas, el experimento conocido como OPERA provocó una ola de entusiasmo entre la comunidad científica y llamó la atención en todo el mundo por poner patas arriba la Teoría de la Relatividad.

Han sido muchos los investigadores que han tratado de encontrar algún error, algo que se les tuvo que pasar por alto a los científicos del CERN. Desde entonces han aparecido más de 80 artículos en arXiv tratando de desacreditar o explicar el efecto.

El último de estos artículos, firmado por Ronald van Elburg, de la Universidad de Groningen (Holanda), cree tener la clave del error y presenta un argumento interesante.

La relatividad especial y el movimiento de los relojes abordo de los satélites GPS que midieron el proceso tienen la explicación.

Para empezar, el científico ha tenido en cuenta la distancia y el tiempo empleados en el experimento. El equipo de OPERA estableció que la distancia entre los dos puntos era de 730 km (con un margen de error de 20 cm).

La posición del inicio de la carrera de neutrinos en el CERN era bastante fácil de medir con GPS, pero la del Laboratorio de Gran Sasso, en cambio, resulta algo más difícil de ubicar al estar enterrado a un kilómetro bajo tierra.

Medir el tiempo de vuelo de los neutrinos es otro tema. Los científicos del CERN señalaron que pueden evaluar con precisión el instante en que se crean los neutrinos y el instante en el que se detectan usando relojes en ambos extremos.

Obviamente hay que mantener los relojes de ambos extremos exactamente sincronizados. Para ello, el equipo utilizó satélites GPS, cada uno emitiendo una señal temporal de alta precisión desde una órbita a unos 20.000 km de altura. Esto introduce una serie de complicaciones adicionales que el equipo tuvo que tener en cuenta, tales como el tiempo de viaje de las señales GPS hasta el suelo.

Pero es aquí precisamente donde Van Elburg estima que hay un efecto que el equipo de OPERA pudo haber pasado por alto: el movimiento relativista de los relojes GPS.

En este caso, hay dos marcos de referencia: el experimento en tierra y los relojes en órbita. Estas sondas orbitan de oeste a este en un plano inclinado de 55 grados respecto al ecuador, un ángulo alineado con la ruta de los neutrinos.

Desde el punto de vista del reloj en un satélite GPS, las posiciones de la fuente y el detector de neutrinos están cambiando.

Desde la perspectiva del reloj, el detector se mueve hacia la fuente y, por lo tanto, la distancia recorrida por las partículas observada desde el reloj es más corta

Comentó Van Elburg.

Van Elburg cree que el equipo del CERN pasó esto por alto y calcula que este efecto podría haber provocado que los neutrinos llegasen 32 nanosegundos antes. Pero esto debe duplicarse, dado que se genera el mismo error en cada extremo del experimento. Por lo que la corrección total es de 64 nanosegundos, casi exactamente lo que observó el equipo de OPERA.

Esta teoría todavía debe ser revisada por otros científicos, especialmente por los responsables del experimento de los neutrinos.

Si se confirma que Van Elburg tiene razón, el experimento no solo no rompería con la Teoría de la Relatividad de Einstein sino que la reafirmaría.

Vía | Archiv.org

Tomado de:

Xakata Ciencia

12 de octubre de 2011

El bosón de Higgs y sus tres hermanos “difuntos”

Me encantan las ilustraciones de las entradas de Flip Tanedo sobre física de partículas. En esta ocasión nos habla de los cuatro bosones de Higgs del Modelo Estándar y como tres de ellos son comidos por los bosones vectoriales W y Z, que adquieren una masa en reposo enorme, quedando a baja energía solo el cuarto, el que tendría que haber sido comido por el fotón, que está a dieta y no tiene masa en reposo. Cuando se habla de la búsqueda del bosón de Higgs del Modelo Estándar se está hablando de este cuarto Higgs, el único hermano “vivo” de los cuatro. Todas las partículas con masa del Modelo Estándar, como los electrones y los quarks, incluso el cuarto Higgs, adquieren masa por un mecanismo diferente a como adquieren masa los bosones W y Z, por ello no podemos decir en propiedad que “si el fotón está a dieta, el Higgs no lo está, es un caníbal y adquiere masa comiéndose a otros como él.” El LHC del CERN tiene que descubrir este cuarto bosón de Higgs, porque los otros tres bosones de Higgs ya fueron descubiertos en 1983 cuando se descubrieron los bosones W y Z. Todo esto ya lo he contado varias veces en este blog, pero nunca tan bien ilustrado como en esta entrada; no me resisto a contaros una vez más este comecoco (ilustrado con comecocos). Lo dicho, me encanta Flip Tanedo, “Who ate the Higgs?,” Quantum Diaries, October 10th, 2011. Permíteme un resumen/traducción de su entrada, que te recomiendo leer si no te molesta que esté escrita en inglés.

Los bosones vectoriales, como el fotón y los bosones W y Z, están descritos por una función de onda cuántica con tres componentes, dos transversales a la dirección de movimiento (velocidad de la partícula) y una longitudinal (paralela a la velocidad). Las partículas vectoriales sin masa, como el fotón y los gluones, no tienen grado de libertad longitudinal (corresponden a campos que vibran transversalmente al movimiento); si lo tuvieran se propagarían más rápido que la velocidad de luz en el vacío (como ocurre con los fotones y gluones virtuales). La partículas vectoriales con masa, como los bosones W y Z, tienen un grado de libertad (polarización) longitudinal. Este grado de libertad es como una partícula (de espín cero) independiente de los grados de libertad transversales.

La idea del mecanismo de Higgs es que el grado de libertad longitudinal de los bosones W y Z proviene de partículas escalares (de espín cero) que desaparecen en una transición de fase que se produce a cierta energía (o temperatura) crítica. Para dotar de masa a los bosones W + , W ​y Z0 se necesitan tres partículas escalares llamadas H + , H y H 0. La teoría electrodébil que unifica electromagnetismo e interacción débil requiere que lo que haya para la parte débil también lo haya para el electromagnetismo, así que tiene que existir un h0, adicional asociado al fotón (en realidad, los bosones de Higgs vienen a pares (H +, H 0) y (H , h0) y corresponden a un doblete de partículas de espín cero cargadas). El grado de libertad asociado a la partícula h0 no se consume en la transición de fase electrodébil sino que se preserva a baja energía.

El mecanismo de Higgs permite que todas las partículas del Modelo Estándar adquieran masa mediante su interacción (acoplamiento) con el campo de Higgs, incluso el propio Higgs h0 adquiere masa de esta manera. El vacío está ocupado por un campo de Higgs ”congelado” (condensado de Bose-Einstein) y las partículas con masa cuando atraviesan este vacío interaccionan con el campo de Higgs, comportándose como si tuvieran masa. El mecanismo de adquisición de masa de los bosones W y Z es diferente al del resto de las partículas; para marcar la diferencia, los físicos afirman que adquieren masa por interacción con bosones de Goldstone (las partículas H + , H y H 0), relegando el nombre de bosón de Higgs solo a la partícula h0 (pero en realidad, a alta energía, por encima de la escala de la transición de fase electrodébil, no hay diferencia entre estas cuatro partículas escalares, más allá de sus cargas).

El mecanismo de Higgs tiene múltiples ventajas técnicas desde el punto de vista matemático en una teoría gauge, destacando que es renormalizable a todos los órdenes (no conozco ningún otro mecanismo alternativo para el que esté demostrado que lo sea) y que es genérico para cualquier unificación de campos gauge (cualquier ruptura espontánea de simetrías gauge). Cualquier otro mecanismo dinámico de ruptura de la simetría que explique la transición de fase electrodébil (hay muchísimas propuestas) debe coincidir con todo detalle con el mecanismo de Higgs en la escala de energías de dicha transición de fase (difiriendo solo a energías mucho más altas). Esta coincidencia requiere un ajuste fino de sus parámetros; dependiendo de la teoría concreta el ajuste es más fino o menos fino, pero el principio de la navaja de Ockham prefiere la explicación que no requiere ningún ajuste fino, cuando la hay, y en este caso la hay, es el mecanismo de Higgs. Un parámetro de este tipo es el parámetro rho de Veltman (1980), exactamente la unidad en el mecanismo de Higgs (a primer orden en la teoría de perturbaciones), pero que difiere de ella en teorías alternativas. Otro parámetro es el introducido por los mexicanos Diaz-Cruz y Lopez-Falcon, también igual a la unidad en el mecanismo de Higgs pero que difiere de ella en otras teorías.

Muchos me preguntan, por qué crees que el Higgs existe y será encontrado el año próximo. En mi opinión, la teoría más sencilla que está de acuerdo con los experimentos es correcta hasta que se demuestre lo contrario (que deje de estar de acuerdo con los experimentos). Se han encontrado ya tres bosones de Higgs (muchas propiedades de los bosones W y Z coinciden exactamente con las predichas por la teoría electrodébil que incorpora el mecanismo de Higgs sin ningún ajuste fino de parámetros, como requieren las teorías alternativas) y las estimaciones teóricas apuntan a que el bosón de Higgs se esconde donde todavía no hemos podido encontrarlo, pues los experimentos aún no tienen la sensibilidad suficiente para descubrirlo. Por qué dudar entonces de la existencia del Higgs.

He de confesar que sería maravilloso para la física de partículas que el Higgs no existiera. El mecanismo de Higgs es una teoría fenomenológica y no explica el porqué ocurre la transición de fase electrodébil. Otras teorías dinámicas para la ruptura de la simetría electrodébil proponen una explicación a esta transición de fase, además de la existencia de nuevas partículas y/o nuevas leyes físicas que aún no han sido descubiertas. Para la mayoría de los físicos sería maravilloso que el Modelo Estándar fuera destronado tras solo 40 años de vida debido a la ausencia de su última predicción, la existencia del bosón de Higgs. ¡Hay tantas cosas del Modelo Estándar que aún desconocemos! En mi opinión solo un conocimiento muy íntimo del Modelo Estándar permitirá descubrir indicios sobre la teoría que lo sustituirá. Primero habrá que confirmarlo con todo detalle y después podremos aspirar a destronarlo. Sería maravilloso que el LHC del CERN no encontrara ningún indicio del Higgs el próximo año, pero en mi opinión, la utopía de la nueva física todavía tendrá que esperar unas décadas.

Fuente:

Francis Science News

4 de octubre de 2011

Por qué los neutrinos de OPERA no pueden ser taquiones

Figura 13 del artículo de la colaboración OPERA = http://arxiv.org/abs/1109/1109.4897

Según la relatividad de Einstein, aplicada a los taquiones, partículas con una masa en reposo negativa que se mueven a una velocidad mayor que la luz, conforme la energía de un taquión crece, su velocidad decrece y se aproxima de forma asintótica a la velocidad de la luz (por encima). Los famosos neutrinos superlumínicos observados por el experimento OPERA tienen una velocidad constante, que casi no depende de la energía; más aún, la velocidad crece ligeramente con la energía, en lugar de decrecer. Por tanto, podemos afirmar con rotundidad que los neutrinos de OPERA no son taquiones. Pueden ser partículas superlumínicas exóticas, pero no pueden ser taquiones.

E(v) = m(v)\,c^2 = \frac{\displaystyle m_0\,c^2}{\sqrt{\displaystyle 1- \frac{v^2}{c^2}}}, \qquad \qquad v<c,

E(v) = m(v)\,c^2 = \frac{\displaystyle m_0\,c^2}{\sqrt{\displaystyle -1+ \frac{v^2}{c^2}}}, \qquad \qquad v>c.

La energía de una partícula tiene dos componentes, la energía en reposo, llamada masa, y la energía en movimiento, llamada energía cinética, que depende de la velocidad de la partícula. Las medidas cosmológicas de la masa de los neutrinos indican que su masa en reposo es muy pequeña, luego para neutrinos de alta energía toda su energía es cinética; además, a mayor velocidad, mayor energía. Si un experimento mide la velocidad de un grupo de neutrinos que tienen cierta energía y la velocidad de otro grupo emitidos por la misma fuente que tienen el triple de dicha energía, dicho experimento tiene que observar que la velocidad de ambos grupos de neutrinos es diferente. Los del segundo grupo, los más energéticos, tienen que ser más rápidos.

El experimento OPERA ha medido la velocidad de neutrinos emitidos en el CERN que alcanzan un observatorio en Gran Sasso, en el centro de Italia, tras recorrer unos 730 km en línea recta por el interior de la Tierra. Todos los neutrinos han sido emitidos por la misma fuente pero su energía se distribuye en un cierto intervalo con una media de 17 GeV (la energía en reposo (masa) de un protón es casi 1 GeV) [véase el lado derecho de la figura que abre esta entrada]. Los investigadores han separado los neutrinos observados en Gran Sasso en dos grupos, los que tienen energía menor de 20 GeV (con una media de 14 GeV) y los que tienen una energía mayor (con una media de 43 GeV) [véase el lado izquierdo de la figura que abre esta entrada]. Para su sorpresa y para la sorpresa de todos los que lean esto, han observado que la velocidad de los neutrinos en ambos casos es idéntica (dentro de los márgenes de error considerados); una velocidad mayor que la velocidad de luz en el vacío, pero independiente de la energía de las partículas [de hecho, como se ve en el lado izquierdo de la figura que abre esta entrada, el punto medio crecio un poco en lugar de decrecer, pero una banda de error muy grande].

Según la relatividad de Einstein, aplicada a los taquiones, partículas con una masa en reposo negativa que se mueven a una velocidad mayor que la luz, conforme la energía de un taquión crece, su velocidad decrece y se aproxima de forma asintótica a la velocidad de la luz. Los datos experimentales de OPERA son inconsistentes con lo predicho para los taquiones según la teoría de la relatividad. Más aún, los resultados de estudios previos, en los que los neutrinos tienen menor energía, como en MINOS y las observaciones de neutrinos producidos por la supernova SN 1987A, complican aún más el asunto, pues requieren que la energía de los neutrinos depende de la velocidad de forma no monótona. Un sinsentido para cualquier físico.

Aberrón me entrevistó el pasado lunes porque iba a escribir un artículo sobre los neutrinos (“Agárrame esos neutrinos,” 28 sep. 2011) que apareció el miércoles en lainformacion.com. El artículo está muy bien y recomiendo su lectura a todos. Por teléfono traté de explicarle a Aberrón por qué tengo dudas sobre la estimación de los errores sistemáticos en el experimento de OPERA, en especial en relación a la medida del instante en el que salen los neutrinos. Sin posibilidad de garabatear en una hoja de papel, le puse como ejemplo la determinación del momento en que llega un tren a una estación y la diferencia que hay entre que se trate de un talgo o un AVE (recordad que tiene la forma del pico de un martín pescador). Fui incapaz de lograr que Aberrón se enterara de lo que quería decir, a veces una imagen vale más que mil palabras. Traté de ponerle como ejemplo la foto finnish en una competición de atletismo, pero creo que empeoré aún más la cosa. En la versión final de su artículo Aberrón se limitó a mencionar de pasada la foto finnish. Aunque puede que me repita una vez más, quizás una imagen vale más que mil palabras.

Figura 11, inferior-izquierda, del artículo de OPERA = http://arxiv.org/abs/1109/1109.4897

Mira esta figura. Verás clarísimamente que hay un desfase de unos 60 ns entre la curva roja y la curva imaginaria que une los puntos negros. ¿No lo ves? Vuelve a mirar la figura. Los picos de la curva roja también se ven muy claros en la curva imaginaria que une los puntos negros. ¡Cómo que no lo ves! Los científicos de la colaboración OPERA dicen que se ve clarísimo. Bueno, … a lo mejor es un problema de escala, de la escala del eje de abscisas. Lo mejor será usar el efecto lupa. Los científicos de OPERA han hecho un zoom de los frentes trasero y delantero de la figura anterior. Su resultado es la siguiente figura.

Figura 12, abajo, del artículo de OPERA = http://arxiv.org/abs/1109/1109.4897

Esta figura es la que se ha utilizado para medir la diferencia de 60 ns entre la curva roja y la curva imaginaria que pasa por los puntos negros. ¿Ves ahora la diferencia de 60 ns entre ambas curvas? ¡Cómo que no! Mira bien, anda, vamos. Hay zonas donde la diferencia parece más pequeña que 60 ns y zonas donde parece mayor. Pero el ajuste obtenido por la colaboración OPERA indica que la diferencia total entre ambas curvas es de 60 ns. ¿Lo ves ahora? Mira bien la banda de error horizontal de los puntos negros, observa que tiene una anchura de 50 ns (el binning de los datos que ha utilizado la colaboración OPERA). ¿Qué pasaría si los centros de los puntos gordos estuvieran desplazados 25 ns a la izquierda o a la derecha? En mi opinión habría un cambio en las curvas que podría hacer que la diferencia de 60 ns cambie bastante. Me gustaría poder hacer un análisis estadístico de estos datos, pero el artículo de OPERA incluye la figuras pixeladas y en muy baja resolución (si fueran figuras PS generadas por Matlab yo podría extraer los datos originales con precisión).

A mí me molesta mucho esta figura desde que el viernes 23 de septiembre en la conferencia del CERN una de las personas del público preguntó por esta cuestión al conferenciante y éste salió por la tangente. Mis dudas sobre el resultado del experimento OPERA nacieron en ese momento y se ratificaron cuando leí el artículo. Conforme pasa el tiempo se refuerzan cada vez más. Todo apunta a errores sistemáticos…

Por cierto, uno de los miembros senior de OPERA (la Dra. Caren Hagner), que no ha querido firmar el famoso artículo, ha sido entrevistada por un periódico alemán (FAZ). Bee nos lo ha traducido del alemán al inglés en “FAZ: Interview with German member of OPERA collaboration,” Backreaction, October 2, 2011. La entrevista no tiene desperdicio, aunque muchos la calificarán de sensacionalista. Según Hagner si se hubiera esperado dos meses más, se podría haber repetido el análisis del experimento de forma independiente, confirmando o refutando el resultado de la propagación superlumínica. ¡Toma ya!

Frau Hagner, usted es uno de los líderes del grupo alemán del experimento OPERA, pero si se busca su nombre en el artículo (preprint), no aparece.

Una docena de colegas y yo hemos decidido no firmar el artículo (preprint). No tengo dudas sobre el experimento, solo creo que es prematuro que se hayan hecho público los resultados. Un resultado tan extraordinario como la propagación más rápido que la luz requiere que se hubieran hecho más pruebas. Pero entonces el artículo se hubiera retrasado unos dos meses. Algunos miembros de OPERA y yo misma hubiésemos querido que estas pruebas adicionales se hubieran hecho.

¿Qué tipo de pruebas?

Lo primero, un segundo análisis independiente. En física de partículas, si alguien cree que ha descubierto una nueva partícula o efecto, en general no hay un solo grupo analizando los datos sino varios. Y si todos obtienen el mismo resultado, entonces podemos estar convencidos de que es correcto. Este proceso no se ha hecho con OPERA.

¿Por qué no?

Porque no había tiempo. Un efecto como la propagación a una velocidad mayor que la luz requiere controles muy cuidados. Podría haber un error en los programas de ordenador, por ejemplo. Sin embargo, la mayoría de los miembros de la colaboración han preferido una publicación rápida.

Sin palabras.

PS: Quizás convenga que detalle los cálculos que indico en esta entrada con números. Los autores del artículo de OPERA han dividido los neutrinos en dos grupos con energías medias de E_1=13.9 GeV, y E_2=42.9 GeV, y han medido los tiempos de llegada anticipada de los neutrinos correspondientes dando como resultado \delta t_1 = 53.1 \pm 18.8 \pm 7.4 ns, y \delta t_2 = 67.1 \pm 18.2 \pm 7.4 ns, resp., lo que conduce a valores de \Delta=v/c-1=c\delta t/L dados por \Delta_1 = (2.18 \pm 0.77 \pm 0.30)\times 10^{-5}, y \Delta_2 = (2.76 \pm 0.75 \pm 0.30)\times 10^{-5}. Aplicando la fórmula de la teoría de la relatividad para taquiones, E={mc^2}/{\sqrt{1-v^2/c^2}} pero con masa m^2<0 y v>c, resulta que se esperaría un valor de \Delta={-m^2c^4}/((1+v/c)E^2)\simeq -m^2 c^4/2E^2. Si los neutrinos fueran taquiones, un incremento en el triple de la energía significaría un cociente \Delta_1/\Delta_2 = 9, cuando el cociente observado es del orden de la unidad (nueve veces más pequeño). Los cálculos en más detalle los podéis encontrar, por ejemplo, en Jerrold Franklin, “Superluminal neutrinos,” ArXiv, 2 Oct 2011.

Fuente:

Francis Science News

30 de septiembre de 2011

La noticia de los neutrinos superlumínicos de OPERA en Nature y en Science

Adrian Cho nos cuenta que la mayoría de los físicos ha mirado con incredulidad el resultado obtenido por los físicos de la colaboración OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Las apuestas apuntan a un “error sistemático” no identificado aún. Pero no todos opinan lo mismo, algunos ven en dicho resultado una oportunidad única para proponer nuevas extensiones del modelo estándar. V. Alan Kostelecky, físico teórico de la Universidad de Indiana, Bloomington, EE.UU., inventó hace 15 años el Modelo Estándar Extendido (SME) que viola la teoría de la relatividad introduciendo un “campo de fondo” que actúa de “sistema de referencia preferido.” Si dicho campo de fondo solo actúa sobre los neutrinos, Kostelecky afirma que su teoría explica el resultado observado por OPERA. Su teoría no permite el envío de información hacia al pasado, evitando los problemas de causalidad que implica la existencia de neutrinos superlumínicos. Según Cho, el resultado de OPERA podrá repetido en menos de un año en MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), en la mina de Soudan (Minnesota), que recibe neutrinos del Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), en Batavia, Illinois (yo creo que Cho peca aquí de optimista). También podrá ser repetido por el experimento japonés T2K (Tokai to Super-Kamiokande), en el que se estudian neutrinos producidos por el JPARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) en Tokai, dirigidos hacia los detectores localizados ne la mina de Kamioka. Nos lo ha contado en Adrian Cho, “Special Relativity: From Geneva to Italy Faster Than a Speeding Photon?,” News & Analysis, Science 333: 1809, 30 September 2011.

El rumor surgió en un blog el 15 de septiembre, el artículo fue liberado el 22 y la rueda de prensa en el CERN fue el 23, aunque el resultado se descubrió en marzo de 2011. “Han pasado los últimos 6 meses tratando de buscar un error en su análisis, pero no lo han encontrado, por lo que han liberado sus resultados para recabar la ayuda de toda la comunidad,” afirma Dario Autiero, del Instituto de Física Nuclear en Lion (IPNL), Francia, coordinador de OPERA. Algunos físicos senior de la colaboración, como Caren Hagner de DESY, han preferido no firmar el artículo de OPERA; según Hagner era necesario haber seguido chequeando el resultado durante más tiempo antes de hacerlo público. OPERA está en boca de todo el mundo, ya el anuncio sobre los neutrinos superlumínicos ha generado una expectación mediática sin precedentes. Sin embargo, “la mayoría de los físicos sospechan que hay errores sistemáticos sutiles, aún por descubrir, pues el experimento es muy complicado,” como recuerda Rob Plunkett del experimento MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) en el Fermilab, cerca de Chicago. La mayoría de las dudas apuntan a dos elementos, la sincronización mediante GPS y las diferencias entre la forma de la señal en el CERN (el tren de protones) y en Gran Sasso (el tren de neutrinos). Nos lo ha contado Eugenie Samuel Reich, “Speedy neutrinos challenge physicists. Experiment under scrutiny as teams prepare to test claim that particles can beat light speed,” News, Nature 477: 520, 29 September 2011.

En mi opinión personal, la fuente del error puede estar en el ajuste del frente de los trenes de protones y de neutrinos. En óptica no lineal, cuando se observa la propagación superlumínica de señales siempre es debido a este problema, definir correctamente cuando ha llegado el tren de fotones (paquete de ondas) debido a que su forma no coincide con el tren emitido y utilizar el mismo criterio en ambos no está justificado. Para los aficionados al deporte quizás ayude saber que este problema es el mismo que el de la foto finish. Se supone que el instante de llegada del corredor es cuando su pecho supera la línea de meta, pero que pasa si el atleta torsiona su cintura al llegar y lo que se observa en la foto finish es la llegada del hombro; o si estira el brazo y lo que llega primero a meta es la parte del pecho cercana al cuello; o que si pasa si hay atletas más altos y más bajos; cuándo llegó el centro del pecho a cruzar la línea es un problema que requiere el criterio de los jueces de la competición y este criterio puede variar de un juez a otro. La forma del frente del tren de protones (donde se inicia la cuenta de tiempos en el CERN) se utiliza como referencia (línea roja) y se ajusta a la forma del frente del tren de neutrinos (donde finaliza la cuenta de tiempos en Gran Sasso). Obviamente, los científicos de OPERA han considerado esta posibilidad en detalle, pero en este tipo de experimentos la duda siempre surge. Abajo os muestro la figura original de los frentes y la misma figura con la línea roja en blanco, ¿por dónde dirías que debería pasar la línea roja? Por cierto, la incertidumbre horizontal de los puntos de unos 50 ns y se ha medido una diferencia de tiempos de solo 60 ns. No quiero decir nada más. Entre los que opinan como yo recomiendo leer a Jon Butterworth, “Those faster-than-light neutrinos. Four things to think about,” Life and Physics, 24 sep. 2011.



Fuente:

Francis Science News

29 de septiembre de 2011

La luz sale al recate de Einstein: Cúmulos de galaxias validan la Teoría de Einstein

Después de que el experimento de los neutrinos pusiera en duda sus postulados más fundamentales, la medición de la luz de las galaxias confirma, por primera vez a escala cósmica, la teoría de la relatividad del genial físico.



Si los científicos del CERN y su experimento de los neutrinos más rápidos que la luz no quisieron dar la razón a Einstein hace tan solo unos días, el Universo entero lo hace ahora a lo grande. Investigadores del Centro de Cosmología Oscura en el instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague han puesto a prueba por primera vez la teoría de la Relatividad a una escala mayor que el Sistema Solar. Los científicos han logrado medir cómo la luz emitida por las galaxias es afectada por la gravedad, y sus resultados, publicados en la revista Nature, confirman lo que en su día anunció el genial físico de origen alemán. En efecto, las grandes masas como las galaxias pueden afectar a la velocidad de los fotones, retrasando su llegada a la Tierra como si se tratara de un obstáculo. Además, la investigación respalda la existencia de la materia y la energía oscura, unas fuerzas invisibles cuestionadas por algunos teóricos.

Hasta ahora, los científicos han estudiado intensamente las propiedades de la luz que emiten las estrellas, el único vínculo físico que nos une a ellas. De esta forma, pueden averiguar si esa estrella se acerca o se aleja de nosotros y a qué velocidad. ¿Cómo es posible? La longitud de onda de un rayo de luz se deforma con el movimiento, hacia la parte roja del espectro electromagnético (lo que se llama corrimiento hacia el rojo) o hacia la parte azul, según el objeto emisor está alejándose o acercándose. El corrimiento al rojo indica cuánto se ha expandido el Universo desde que la luz fue emitida hasta que llegó a la Tierra. Además, de acuerdo con la teoría general de la relatividad de Einstein, la luz también se ve afectada por la gravedad de las grandes masas, y lo rayos luminosos sufren alteraciones al pasar cerca de fuertes campos gravitatorios, como las galaxias y los agujeros negros. En ese caso, se produce un corrimiento al rojo por causa de la gravedad. Pero esta influencia gravitatoria de la luz nunca se había medido en una escala cosmológica.

«Es realmente maravilloso. Vivimos en una época con la capacidad tecnológica para medir realmente estos fenómenos», dice el astrofísico Radek Wojtak, responsable de la investigación. El equipo examinó las mediciones de luz de aproximadamente 8.000 cúmulos de galaxias. Estos clusters son acumulaciones de miles de galaxias unidas por su propia gravedad. Esta gravedad afecta a la luz que las galaxias envían al espacio.

Teoría confirmada

Los investigadores analizaron las galaxias que se encuentran en mitad de los cúmulos y las que están en la periferia, y midieron la longitud de onda de la luz. En efecto, descubrieron pequeñas diferencias en el corrimiento al rojo. «La luz emitida por galaxias en mitad de un cúmulo tiene que "arrastrarse" a través del campo gravitacional, mientras que la luz de las galaxias distantes lo tiene más fácil para emerger», explica Wojtak.

Después, los científicos midieron la masa total del cúmulo galáctico y su potencial gravitatorio. Mediante el uso de la teoría general de la relatividad, pudieron calcular el desplazamiento al rojo para los diferentes lugares de las galaxias. Y, sí, Einstein no se equivocaba. «Resultó que los cálculos teóricos del corrimiento hacia el rojo gravitatorio sobre la base de la teoría de la relatividad general estaban en completo de acuerdo con las observaciones astronómicas. Nuestras observaciones confirman la teoría de la relatividad», afirma el investigador.

Materia y energía oscuras

El descubrimiento puede ayudar a desentrañar algunos de los misterios del Universo, como la materia y la energía oscuras. Además de los cuerpos celestes visibles como las estrellas, planetas y galaxias, el Universo se compone de una gran cantidad de materia que los investigadores creen que tiene que estar allí pero que no puede ser observada, ya que no emite ni refleja la luz. Es invisible y por eso se llama materia oscura. Otro de los componentes es la energía oscura, que de acuerdo con los modelos teóricos actúa como una especie de vacío que provoca la aceleración de la expansión del Universo. Según los cálculos, que se basan en la teoría de la relatividad de Einstein, la energía oscura constituye el 72% de la estructura del cosmos. Discutida por algunos teóricos, los nuevos resultados avalan su existencia.

Fuentes:

ABC Ciencia

Ciencia Kanija

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