Las partículas, buscadas desde hace tiempo, confirman una reacción de fusión que ayuda a dar energía al Sol.

En un esfuerzo técnico, los físicos han observado unos neutrinos de baja energía, buscados desde hace tiempo, que vuelan a toda velocidad desde el Sol. El descubrimiento confirma uno de los posibles primeros pasos en el ciclo de fusión que ayuda a dar energía a la estrella, dice Cristiano Galbiati, físico en la Universidad de Princeton y miembro del gran equipo internacional que informa del descubrimiento en el ejemplar del 3 de febrero de la revista Physical Review Letters.

Las recién encontradas partículas se producen cuando dos protones y un electrón interactúan para crear deuterio, una forma pesada del hidrógeno que ayuda a alimentar la fusión del Sol. Aproximadamente 1 de cada 400 átomos de deuterio en el Sol se crean en esta reacción de protón-electrón-protón, o pep.

The Dynamic Sun © by NASA Goddard Photo and Video

Los científicos pueden analizar el funcionamiento interno del Sol estudiando las partículas producidas en sus reacciones termonucleares – en particular, los neutrinos que fluyen a través de la Tierra en gran número, pero apenas interactúan con la materia. Los investigadores deben construir detectores bajo el suelo para apantallar estos esquivos neutrinos solares de otras partículas.

En 2007, una colaboración liderada por Italia, conocida como Borexino, empezó a intentar hacer esto mismo en el Laboratorio Nacional Gran Sasso, enterrado en una montaña en Italia central. Borexino consta de una gigantesca cuba de líquido, el cual emite minúsculos destellos cuando los neutrinos interactúan con él.

Los científicos del equipo sabían que podrían observar neutrinos procedentes de la reacción protón-protón (pp), más común y de mayor energía. “No esperábamos ser capaces de ver neutrinos pep cuando empezamos”, dice Frank Calaprice, miembro del equipo también de Princeton. “Sabíamos que podría ser posible, pero había enormes obstáculos”.

Por ejemplo, incluso aunque el detector esté enterrado para protegerlo del resto de partículas, algunos rayos cósmicos logran atravesar la montaña y llegar al experimento. Allí pueden producir carbono-11 radiactivo, el cual alcanza al detector en el rango de energía esperado para los neutrinos pep. Pero una nueva forma de eliminar el carbono-11 del análisis permitió a los científicos de Borexino filtrar la señal no deseada, dice Galbiati.

Una vez que se eliminó la interferencia de fondo, los científicos pudieron observar los reveladores signos de los neutrinos pep en el rango de energía esperado, alrededor de 1,4 millones de electronvolts. (En comparación, una partícula de luz común, o fotón, tiene una energía de alrededor de 1 electronvolt). Tuvieron lugar unos tres destellos cada día por cada 100 toneladas de líquido detector.

Los logros técnicos de Borexino al filtrar la señal de fondo ya están ayudando a otros experimentos, tales como los que buscan otros eventos de neutrinos o incluso materia oscura, dice Galbiati. “Este resultado abre la vía para que futuros detectores de neutrinos solares hagan medidas mucho más precisas”, comenta.

Posteriores estudios de neutrinos pep deberían ayudar a los científicos a refinar su comprensión del Sol, dice el físico Mark Chen de la Universidad de Queen’s en Canadá. El detector SNO+, en un laboratorio subterráneo cerca de Sudbury en la provincia canadiense de Ontario, llenará su propio detector este verano, con vistas a recopilar datos en 2013. Este experimento tiene como objetivo medir la tasa de neutrinos pep y también detectar otro tipo de neutrino solar de baja energía conocido como CNO, comenta Chen.

Autor: Alexandra Witze
Fecha Original: 8 de febrero de 2012
Enlace Original

Los últimos análisis del Gran Colisionador de Hadrones apoyan la existencia de la partícula.

Hoy, dos de los principales experimentos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más potente del mundo, enviaron los resultados de sus últimos análisis. Los nuevos artículos apoyan la existencia, anunciada en diciembre, de una posible señal del Higgs, pero no nos emocionemos demasiado.


Primero, no hay nuevos datos – el LHC dejó de colisionar protones el pasado noviembre, y estos últimos resultados son simplemente un refrito de ejecuciones anteriores. En el caso del Compact Muon Solenoid (CMS), los físicos han sido capaces de observar otro posible tipo de desintegración del Higgs, y esto les permite aumentar la señal del Higgs de 2,5 sigma a 3,1 sigma. Uniendo estos datos con los del otro detector, ATLAS, la señal general del Higgs ahora se coloca oficialmente en aproximadamente 4,3 sigma. En otras palabras, si creemos en la estadística, la señal tiene un 99,996% de posibilidades de ser cierta.

Todo esto suena muy convincente, pero mantén la cabeza fría, debido a que las coincidencias estadísticas son algo cotidiano. En Cosmic Variance, Sean Carroll señala que hay una señal 3,8 sigma en el lanzamiento de la moneda de la Super Bowl. ¿Significa eso que se ha descubierto una super-compañera del bowl? No. (Si no has pillado el chiste, no te preocupes, se escribió sólo como castigo para aquellos que sí lo pillan).

Después de que el LHC empiece de nuevo a funcionar en primavera, estaremos mucho más cerca de saber qué esta pasando realmente. Justo ahora, los científicos se reunen en Chamonix, Francia, para decidir a qué energía poner en marcha el colisionador el próximo año. Los últimos rumores son que la máquina pasará de 7 a 8 teraelectronvolts, y que aumentará también su luminosidad (el número de colisiones por pasada).

Para algo más de contexto sobre lo que está pasando, mira el video de mi viaje el pasado noviembre.

Artículo de Referencia: Nature doi:10.1038/nature.2012.9992

Autor: Geoff Brunfield
Fecha Original: 7 de febrero de 2012
Enlace Original

Físicos de España y el Reino Unido han calculado que el grafeno – una capa de carbono de apenas un átomo de grosor – podría usarse para crear un absorbente perfecto de la luz si es dopado y colocado en una organización periódica. El trabajo podría llevar a unos dispositivos mejorados de fotodetección, particularmente en la parte infrarroja del espectro electromagnético, donde las tecnologías actuales tienen problemas de funcionamiento.

La afirmación es extraordinaria, dado que los materiales convencionales normalmente necesitan tener miles de átomos de grosor para absorber completamente la luz. “La predicción de que una capa de material de apenas un átomo de grosor puede absorber la luz por completo es notable y excitante”, dice el jefe del equipo F. Javier García de Abajo del Instituto de Óptica en Madrid.

Modelo de estructura del grafeno © by CORE-Materials

“La capa en cuestión es grafeno en un patrón de ordenación periódica de nanodiscos”, explica García de Abajo. La estructura absorbe luz confinándola a regiones que son cientos de veces menores que la longitud de onda de la luz. Esto se hace aprovechando los plasmones que aparecen dentro de las estructuras individuales de nanodiscos. Los plasmones son oscilaciones colectivas cuantizadas de los electrones dentro de un nanodisco – e interactúan con mucha fuerza con la luz.

Dopando con electrodos

El confinamiento de la luz en el grafeno sólo es posible si el material está cargado eléctricamente. Y la longitud de onda a la que puede quedar confinada la luz depende de cuánto se carga el material. También conocido como dopaje, debido a que tiene un efecto similar al de introducir impurezas en los semiconductores convencionales, la carga se consigue fácilmente colocando electrodos cerca del grafeno. La cantidad de carga puede controlarse variando el voltaje aplicado a los electrodos.

En sus cálculos, el equipo estudió cómo el patrón del grafeno absorbía la luz en el rango del espectro electromagnético del infrarrojo medio y cercano. Los investigadores dicen que sería fácil extender sus resultados a otros rangos de longitudes de onda, hacia el infrarrojo medio y el régimen de terahertzs, por ejemplo, aplicando directamente las ecuaciones analíticas que emplearon. “Todas estas regiones espectrales son especialmente interesantes, con potenciales aplicaciones en imágenes, sensores y detección”, dice García de Abajo. “Necesitamos dispositivos de buena absorción de luz en este rango de longitudes de onda, debido a que los detectores actuales no tienen un buen rendimiento aquí. Nuestro trabajo puede incluso proporcionar un puente para este famoso ‘hueco de terahertz’”.

La separación es justo la correcta

Los investigadores dicen que los nanodiscos son capaces de absorber grandes cantidades de luz debido a que estas estructuras individuales de grafeno están ordenadas a una distancia bien definida unas de otras. Si están demasiado cerca, la luz puede re-emitirse de vuelta y ser reflejada. Por otra parte, no se absorbe suficientemente si los nanodiscos se colocan demasiado lejos. Un efecto similar puede obtenerse con otros patrones de grafeno, específicamente con lazos, los cuales según los investigadores son más fáciles de dopar.

La luz también produce campos inducidos cerca de los nanodiscos. Estos campos están hechos de ondas evanescentes – ondas electromagnéticas que decaen exponencialmente desde una estructura. “El mecanismo, por tanto, no es un efecto de difracción en el sentido de onda clásica en el cual dos o más ondas que se propagan interfieren y forman patrones limitados de tamaño, de aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la luz”, explica García de Abajo. “En lugar de esto, lo que se da es un acoplamiento crítico”.

El equipo, que incluye a científicos del ICFO en Barcelona y del Centro de Investigación Optoelectrónica en la Universidad de Southampton, planea ahora explorar otros efectos ópticos extraordinarios en el grafeno – posiblemente hasta el límite cuántico con estudios sobre los efectos en fotones aislados. “También esperamos analizar materiales alternativos, tales como aislantes topológicos, que podrían producir efectos similares”, revela García de Abajo.

El trabajo se describe en Phys. Rev. Lett. 108 047401.

Autor: Belle Dumé
Fecha Original: 26 de enero de 2012
Enlace Original

Una nueva investigación de la Universidad de Bristol puede descartar una vieja conjetura hecha por uno de los fundadores de la ciencia de la información cuántica: que los estados cuánticos que muestran ‘transposición parcial positiva’, una simetría particular bajo inversión temporal, nunca pueden derivar en no localidad.

Cuando se trata del espacio y el tiempo, la física moderna desafía nuestra intuición en la forma más drástica posible.  La teoría de la relatividad de Einstein nos dice que el espacio y el tiempo están íntimamente relacionados y que el tiempo absoluto es una ilusión.  La mecánica cuántica, sin embargo, está en reposo, y sus predicciones son tal vez incluso más asombrosas que las de la relatividad.

Por resumir, la teoría cuántica dice que dos partículas entrelazadas se comportan como un único objeto físico, sin importar lo lejos que estén entre sí.  Si se realiza una medida en una de estas partículas, el estado de su gemelo distante se modifica instantáneamente.

Fronteras cuánticas © by amandadevries

Este efecto lleva a la no localidad cuántica, el hecho de que la correlación entre resultados de medidas locales realizadas sobre estas partículas es tan fuerte, que no podría haberse obtenido a partir de ningún par de sistemas clásicos, como dos ordenadores.  Para abreviar una larga historia, es como si las partículas cuánticas viviesen fuera del espacio-tiempo – y este experimento confirma éso.

Comprender este fenómeno de la inseparabilidad cuántica, seguramente la característica menos intuitiva de la teoría, representa un gran desafío para la física moderna.  Un punto clave es que la inseparabilidad aparece bajo varias formas en la mecánica cuántica.  Comprender de forma precisa la relación entre estas distintas formas es un objetivo buscado desde hace tiempo.

En un artículo en Physical Review Letters, el Dr. Tamas Vertesi de la Academia Húngara de Ciencias y el Dr. Nicolas Brunner de la Universidad de Bristol han realizado un avance significativo en esta dirección.  Demostraron que la forma más débil de entrelazamiento – conocida como como entrelazamiento no destilable – puede llevar a correlaciones cuánticas no locales, la forma más fuerte de inseparabilidad en la mecánica cuántica.  De acuerdo con el Profesor Pawel Horodecki, teórico cuántico de la Universidad de Gdansk, “el entrelazamiento es casi ‘invisible’ en tales sistemas, lo que hace que sea muy sorprendente que puedan exhibir no localidad”.

El trabajo del Dr. Vertesi y el Dr. Brunner también recorre un lago camino hacia descartar una vieja conjetura realizada en 1999 por el Profesor Asher Peres, uno de los fundadores de la ciencia de la información cuántica.

Peres defendía que los estados cuánticos que mostrasen una simetría particular bajo inversión temporal – conocida como transposición parcial – nunca pueden derivar en no localidad.  Toda la investigación en este área se basa en la conjetura de Peres – hasta ahora.  El trabajo de Vertesi y Brunner demuestra, a través de un simple ejemplo, que la conjetura es falsa cuando hay presentes tres (o más) observadores.  Queda por ver si la conjetura, no obstante, pudiese seguir siendo cierta en el caso de dos observadores.

Junto con su contribución a comprender nuestras bases de la teoría cuántica, este trabajo genera nuevas preguntas sobre la ciencia de la información cuántica.  En particular, desatará el debate del papel del entrelazamiento y la no localidad en las tareas de procesamiento de la información cuántica, tales como en la computación y criptografía cuántica.

Artículo de Referencia:

‘Quantum nonlocality does not imply entanglement distillability’, by T. Vertesi and N. Brunner in Physical Review Letters 108, 030403 (2012).

Fecha Original: 27 de enero de 2012
Enlace Original

Los hallazgos favorecen los esfuerzos por predecir mejor las tormentas geomagnéticas en el espacio.

Investigadores de UCLA han explicado la desconcertante desaparición de electrones energéticos en el cinturón externo de radiación de la Tierra, usando datos recopilados por una flotilla de naves en órbita.

En un artículo publicado el 29 de enero en la edición anticipada en línea de la revista Nature Physics, el equipo demuestra que los electrones perdidos son barridos del planeta por una marea de partículas de viento solar durante los periodos de actividad solar elevada.

Cinturones de Van Allen

“Éste es un hito importante en la comprensión del entorno espacial de la Tierra”, dice el autor principal del estudio Drew Turner, investigador asistente en el Departamento de Ciencias de la Tierra y del Espacio de UCLA y miembro del Instituto de Geofísica y Física Planetaria (IGPP) también de UCLA. “Estamos un paso más cerca de comprender y predecir fenómenos del clima espacial”.

Durante los eventos de potentes llamaradas solares, tales como eyecciones de masa coronal, partes de las capas externas magnetizadas de la atmósfera solar impactan sobre el campo magnético de la Tierra, disparando tormentas geomagnéticas capaces de dañar los componentes electrónicos de las naves en órbita. Estas tormentas cósmicas tienen un efecto peculiar sobre el cinturón exterior de radiación de la Tierra, una región del espacio en forma de rosquilla llena de electrones tan energéticos que se mueven casi a la velocidad de la luz.

“Durante el inicio de una tormenta geomagnética, casi todos los electrones atrapados en el cinturón de radiación se desvanecen, regresando sólo para vengarse unas horas más tarde”, dice Vassilis Angelopoulos, Profesor en UCLA de Ciencias de la Tierra y el Espacio e investigador del IGPP.

Los electrones perdidos sorprendieron a los científicos cuando se midió dicha tendencia por primera vez en la década de 1960, usando instrumentos a bordo de las primeras naves espaciales enviadas en órbita, dice el coautor del estudio Yuri Shprits, investigador en geofísica del IGPP y los departamentos de Ciencias de la Tierra y el Espacio y Ciencias Atmosféricas y Oceánicas.

“Es un efecto desconcertante”, comenta. “Los océanos de la Tierra no pierden de pronto la mayor parte de su agua, mientras que los cinturones de radiación repletos de electrones pueden despoblarse con rapidez”.

Aún más extraño, los electrones se pierden durante el pico de una tormenta geomagnética, un momento en el que se esperaría que el cinturón de radiación estuviese repleto de partículas energéticas, debido al bombardeo extremo por parte del viento solar.

¿Dónde van los electrones? Esta pregunta ha quedado sin respuesta desde principios de la década de 1960. Algunos pensaban que los electrones se perdían en la atmósfera terrestre, mientras que otros teorizaban que los electrones no se perdían de manera permanente, sino simplemente que temporalmente perdían energía y eso hacía que pareciesen ausentes.

“Nuestro estudio de 2006 sugirió que los electrones pueden, de hecho, perderse en el medio interplanetario y frenarse al moverse hacia el exterior”, dice Shprits. “No obstante, hasta hace poco, no había una prueba definitiva de esta teoría”.

Para resolver el misterio, Turner y su equipo usaron datos de tres redes de naves orbitales posicionadas a distintas distancias de la Tierra para captar a los electrones escapistas en el momento de la huida. Los datos demostraron que aunque una pequeña cantidad de electrones energéticos perdidos caían en la atmósfera, la inmensa mayoría eran empujados hacia el planeta, arrancados del cinturón de radiación por las partículas incidentes de viento solar durante la elevada actividad solar que generó la propia tormenta magnética.

Es vital una mayor comprensión de los cinturones de radiación de la Tierra para proteger los satélites, de los que dependemos para el posicionamiento global, comunicaciones y monitorización del clima, comenta Turner. El cinturón de radiación exterior de la Tierra es un entorno de radiación extrema para naves y astronautas; los electrones de alta energía pueden penetrar en el escudo de la nave y crear problemas en su delicado equipo electrónico. Las tormentas geomagnéticas, disparadas cuando las partículas incidentes impactan en la magnetosfera de la Tierra, pueden provocar un fallo parcial o total de la nave.

“Aunque la mayor parte de satélites están diseñados con algún nivel de protección contra la radiación, los ingenieros espaciales deben depender de aproximaciones y estadísticas, debido a la falta de datos necesarios para modelar y predecir el comportamiento de los electrones de alta energía en el cinturón de radiación exterior”, dice Turner.

Durante la “Tormenta de Halloween” de 2003, se informó de errores de funcionamiento en más de 30 satélites, y uno se perdió por completo, dice Angelopoulos, coautor de la investigación actual. Conforme se aproxima el máximo solar de 2013, marcando el pico de actividad solar a lo largo de un ciclo de aproximadamente 11 años, las tormentas geomagnéticas pueden tener lugar incluso hasta varias veces por mes.

“Los electrones de alta energía pueden reducir el tiempo de vida de una nave de manera significativa”, señala Turner. “Los satélites que pasan un periodo prolongado dentro del cinturón de radiación activo podrían dejar de funcionar años antes”.

Aunque una nave mecanizada podría incluir múltiples circuitos redundantes para reducir el riesgo de fallo total durante un evento solar, los exploradores humanos en órbita no se pueden permitir el mismo lujo. Los electrones de alta energía pueden atravesar los trajes de los astronautas y suponer un serio riesgo para la salud, dice Turner.

“Como sociedad, nos hemos vuelto increíblemente dependientes de las tecnologías espaciales”, comenta. “Comprender esta población de electrones energéticos y sus extremas variaciones nos ayudará a crear modelos más precisos para predecir el efecto de las tormentas geomagnéticas en los cinturones de radiación”.

Los datos observacionales clave usados en este estudio se recopilaron mediante una red de naves de la NASA conocida como THEMIS; Angelopoulos es el investigador principal de la misión THEMIS. Se obtuvo información adicional usando dos grupos de satélites climáticos llamadas POES y GOES.

Una nueva colaboración entre UCLA y la Universidad Estatal de Moscú, en Rusia, promete mostrar una descripción aún más clara de estos electrones que desaparecen. Prevista para su lanzamiento en la primavera de 2012, la nave Lomonosov volará en la órbita baja de la Tierra para medir partículas muy energéticas con una precisión sin precedente, dice Shprits, el investigador principal del proyecto. Varios instrumentos clave para la misión están siendo desarrollados y ensamblados en UCLA.

Los cinturones de radiación de la Tierra se descubrieron en 1958 gracias al Explorer I, el primer satélite estadounidense que viajó al espacio.

“Lo que estamos estudiando fue el primer descubrimiento de la era espacial”, dice Shprits. “La gente se dio cuenta de que los lanzamientos de naves no eran simplemente noticias, también podían hacer descubrimientos científicos que eran completamente inesperados”.

Este proyecto recibió patrocinio federal procedente de NASA y la Fundación Nacional de Ciencias. Otros coautores incluyen a Michael Hartinger, estudiante graduado de UCLA en Ciencias de la Tierra y el Espacio.

Autor: Kim DeRose
Fecha Original: 29 de enero de 2012
Enlace Original

Los físicos han simulado dos universos colisionando dentro de un metamaterial.

Una forma interesante en la que podría haberse formado nuestro cosmos es en una colisión entre dos universos con dimensiones espaciales adicionales, llamados mundobranas.

En este escenario, conocido como modelo ekpirótico del universo, nuestro cosmos es simplemente un pequeño rincón de cuatro dimensiones dentro de un espacio mucho más complejo.

El modelo ekpirótico es interesante debido a que lleva a un universo plano como el nuestro sin necesidad de inflación, el periodo justo tras el Big Bang en el cual nuestro universo supuestamente se expandió muchos órdenes de magnitud en un parpadeo.

Sin inflación, nuestro universo simplemente es demasiado grande para haberse formado en un evento del tipo Big Bang. Pero nadie sabe qué podría causar un incremento de tamaño tan drástico. De aquí el interés en otra forma de explicar nuestra existencia.

Si te estás preguntando qué colisiona realmente en la versión ekpirótica de eventos, la respuesta es muros de un dominio de Minkowski, básicamente los bordes de universos con distintas dimensiones espaciales.

Es fácil imaginar que los muros de un dominio de Minkowski son completamente teóricos. Y, efectivamente, así era hasta ahora.

Hoy, Igor Smolyaninov y Yu-Ju Hung de la Universidad de Maryland en College Park dicen haber creado unos muros de un dominio de Minkowski por primera vez en el laboratorio, e incluso los han usado para simular la colisión de dos mundobranas.

El truco que han usado estos chicos es una analogía formal entre las matemáticas del espacio-tiempo y las de los espacios electromagnéticos. Los físicos han sabido desde la época de Einstein que es posible curvar y distorsionar el tejido del espacio-tiempo – nuestro universo parece estar distorsionado de esta misma forma en varias escalas cósmicas.

Pero sólo durante la última década han aprendido cómo hacer lo mismo a una escala mucho menor con espacios electromagnéticos. Lo que disparó ésto fue el desarrollo de los metamateriales: sustancias artificiales que pueden curvar la luz en casi cualquier forma imaginable.

Smolyaninov está fascinado por una versión de este material conocido como metamaterial hiperbólico. Dentro de esta sustancia, la luz monocromática se propaga de una forma similar a la de las partículas masivas en un espacio-tiempo de Minkowski, donde una coordenada espacial toma el papel del tiempo.

Los metamateriales hiperbólicos son, básicamente, una serie de capas de metal separadas por un dieléctrico. Smolyaninov ha usado este material pasa simular un número de interesantes aspectos de la cosmología, incluyendo el propio Big Bang.

La colisión entre universos es una variante de ésto. “El escenario de “universos en colisión” puede verse como una extensión simple de nuestros anteriores experimentos que simulan la geometría espacio-temporal en la vecindad del Big Bang”, comenta.

Simula un universo en expansión usando anillos concéntricos de oro separados por un dieléctrico. “Cuando los dos patrones de anillos concéntricos (universos) se tocan entre sí (colisionan), se crea un muro de un dominio de Minkowski, en el cual las bandas metálicas se tocan entre sí en un pequeño ángulo”, comenta.

Ser capaz de recrear estos exóticos eventos en el laboratorio es ciertamente interesante, pero está empezando a perder su novedad. El problema es que este trabajo no nos dice nada que no supiéramos – el universo se comporta igual dentro de un metamaterial que fuera de él.

Lo que Smolyaninov necesita es una forma de usar estos exóticos metamateriales para hacer algo interesante. En otras palabras, necesita una aplicación estrella (killer app). ¿Alguna idea?

Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1201.5348: Collision Of “Metamaterial Universes”: Experimental Realization Of Minkowski Domain Wall

Fecha Original: 30 de enero de 2012
Enlace Original

Físicos de la UC en Riverside han iniciado un experimento de laboratorio para encontrar la respuesta.

¿Se comportan materia y antimateria de forma distinta respecto a la gravedad?  Los físicos de la Universidad de California en Riverside se han propuesto determinar la respuesta. De encontrarla, podría explicar por qué el universo parece no tener antimateria y por qué se expande a un ritmo cada vez mayor.

En el laboratorio, los investigadores dieron los primeros pasos hacia la medida de la caída libre del “positronio” – un estado ligado de un positrón y un electrón.  El positrón es la versión en antimateria del electrón. Tiene una masa idéntica a la del electrón, pero una carga positiva. Si un positrón y un electrón se encuentran entre sí, se aniquilan produciendo dos rayos gamma.

Equilibrio de materia y antimateria

Los físicos David Cassidy y Allen Mills separaron inicialmente el positrón del electrón en el positronio, de forma que este sistema inestable resistiera a la aniquilación lo suficiente como para que los físicos midieran el efecto de la gravedad en él.

“Usando láseres, excitamos el positronio hasta lo que se conoce como estado de Rydberg, que deja al átomo con unos enlaces muy débiles, con el electrón y el positrón muy alejados entre sí”, señala Cassidy, científico ayudante en el proyecto en el Departamento de Física y Astronomía, que trabaja en el laboratorio de Mills.  “Esto evita por un tiempo que se destruyan entre sí, lo que significa que puedes experimentar con ellos”.

Los átomos de Rydberg son átomos muy excitados.  Son interesantes para los físicos debido a que muchas de las propiedades de los átomos quedan exageradas.

En el caso del positronio, Cassidy y Mills, Profesor de Física y Astronomía, estaban interesados en lograr un tiempo de vida largo para el átomo de su experimento. En el nivel de Rydberg, el tiempo de vida del positronio se incrementa en un factor de 10 a 100.

“Pero eso no es suficiente para lo que intentamos hacer”, señala Cassidy. “En el futuro próximo usaremos una técnica que imparte un gran momento angular a los átomos de Rydberg”, comenta Cassidy. “Esto hace que se más difícil la desintegración de los átomos, y podrían vivir hasta 10 milisegundos – un incremento en un factor de 100 000 – y ofrecerse para un estudio más detallado”.

Cassidy y Mills ya han creado grandes cantidades de positronio Rydberg en el laboratorio.  Luego, lo excitarán más para lograr tiempos de vida de unos pocos milisegundos. Entonces crearán un haz de estos átomos superexcitados para estudiar cómo se desvían por efecto de la gravedad.

“Observaremos el desvío del haz como una función del tiempo de vuelo para ver si la gravedad lo curva”, explica Cassidy. “Si encontramos que materia y antimateria no se comportan de la misma manera, sería un gran impacto para el mundo de la física.  Actualmente tenemos la suposición de que materia y antimateria son exactamente lo mismo – aparte de unas pocas propiedades como la carga. Esta suposición lleva a esperar que se hayan creado en cantidades iguales en el Big Bang. Pero no vemos tanta antimateria en el universo, por lo que los físicos están buscando diferencias entre materia y antimateria para explicar esto”.

Los resultados del estudio aparecen en el ejemplar del 27 de enero de la revista Physical Review Letters.

Cassidy y Mills esperan intentar el siguiente paso en sus experimentos con gravedad este verano.

Se unieron a esta investigación Harry Tom, Profesor de Física y Astronomía, y Tomu H. Hisakado, estudiante graduado en el laboratorio de Mills.

La investigación está patrocinada con becas de la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación de las Fuerzas Aéreas de los Estados Unidos.

Autor: Iqbal Pittalwala
Fecha Original: 26 de enero de 2012
Enlace Original

El misterio de cómo las galaxias, incluyendo la Vía Láctea, se han magnetizado se ha resuelto mediante experimentos que usan láseres de alta potencia.

Reproduciendo las condiciones que se encuentran en las galaxias en desarrollo, los físicos han demostrado que las ondas de choque pueden generar minúsculas ‘semillas’ magnéticas, que podrían finalmente crecer hasta formar los campos magnéticos a gran escala que observamos hoy. La investigación se describe en el ejemplar de hoy de Nature.

“Las observaciones indican que los campos magnéticos son ubicuos en los cúmulos de galaxias, galaxias, e incluso en los vacíos”, dice Gianluca Gregori, autor principal del estudio de la Universidad de Oxford en Inglaterra.

“Para explicar esta magnetización a gran escala, los campos magnéticos deben haber existido durante mucho tiempo. Pero, ¿de dónde proceden estas semillas magnéticas? Nuestro experimento indica que la generación de semillas por ondas de choque es una explicación plausible, como inicialmente se sugería en las simulaciones numéricas”.

Centro de la galaxia © by Victor Pérez :: victorperezp.com

Galaxias magnéticas

Se cree que cada galaxia y cúmulo de galaxias de nuestro universo tiene un campo magnético. Aunque mucho más débiles que el campo magnético de la Tierra, estos campos galácticos desempeñan un papel importante en la formación estelar, así como en ayudar a evitar el colapso gravitatorio de las galaxias.

Los científicos creen que los campos magnéticos galácticos se generan a partir de campos de semillas más débiles. Estas semillas se amplifican a través de un mecanismo de dinamo, en el cual la rotación y turbulencia del medio interestelar de la galaxia – el gas y polvo que hay entre las estrellas – actúa para reforzar el campo magnético original.

Sin embargo, este mecanismo no explica cómo empiezan a existir los propios campos de semillas. Uno de los métodos propuestos para crear semillas es a través de ondas de choque generadas por el colapso de materia en las ‘protogalaxias’ en desarrollo. De acuerdo con esta hipótesis, las ondas de choque pasan a través del plasma de la galaxia (un gas compuesto de partículas cargadas), creando una corriente eléctrica y, por tanto, un campo magnético. Este proceso se conoce como “batería de Biermann”.

Simulando ondas de choque

Ahora, un equipo internacional de físicos ha simulado con éxito este proceso de la batería de Biermann usando un láser de alta potencia para crear ondas de choque comparables a las que tienen lugar en una protogalaxia.

El láser de pulsos se dirigió hacia una pequeña vara de carbono dentro de una cámara rellena de gas de helio. “Esto simuló una explosión”, dice Gregori. “Se requería un gran láser como punto de inicio debido a que queríamos hacer la explosión tan fuerte como fuese posible. El usado en LULI (Laboratoire pour l’Utilisation de Lasers Intenses) en París es uno de los mayores de Europa”.

Esta explosión creó una onda de choque por delante del material en expansión. Conforme la onda de choque se movía a través del plasma de la cámara, se creó un bucle de corriente, que a su vez generó un campo magnético.

Minúsculas semillas magnéticas

Habiendo medido la fuerza del campo magnético creado en su laboratorio, los investigadores usaron entonces una simple relación de escala para estimar la fuerza de un hipotético campo magnético galáctico.

Sus cálculos dieron una fuerza para el campo magnético galáctico de aproximadamente 1 zG (zeptoGauss). Para poner esto en perspectiva, el campo magnético de la Tierra es aproximadamente 10²⁰ veces más fuerte.

Pero aunque puede ser minúscula, esta fuerza del campo magnético concuerda con los valores predichos por las anteriores simulaciones numéricas. Los investigadores proponen que este campo de semillas puede amplificarse luego a valores más altos mediante movimientos turbulentos, a lo largo de escalas temporales de cientos de millones de años.

No es la única forma

“Este tipo de exploraciones – estudiar los fenómenos astrofísicos exóticos en el laboratorio – son muy divertidos y potencialmente interesantes”, comenta Larry Widrow, astrónomo y experto en campos magnéticos de la Universidad de Queen’s en Ontario, Canadá.

Pero Widrow pasó a enfatizar que los experimentos de laboratorio tales como éste sólo pueden contarnos una parte: “Lo que realmente necesitamos es una mejor comprensión de las primeras etapas de la formación de galaxias, y ésto es algo que sólo puede lograrse a través del modelado teórico y las simulaciones detalladas”.

También añadió que el proceso de Biermann no es el único mecanismo sugerido para crear campos de semillas. “Otros dos ejemplos son la generación temprana de estrellas, que pueden explotar y expeler sus campos magnéticos al medio interestelar, y los núcleos galácticos activos, que expelen de forma similar campos a través de vientos y chorros”, dice Widrow.

“Efectivamente, se han propuesto otros mecanismos”, dice Gregori. “Se han planificado experimentos en instalaciones láser aún mayores para estudiar estos escenarios”. Uno de estos experimentos se llevará a cabo en la Instalación de Ignición Nacional en Livermore, California – el mayor sistema láser del mundo.

Autor: James Lloyd
Fecha Original: 26 de enero de 2012
Enlace Original

El nuevo trabajo sobre gases ultrafríos puede también ayudar a los científicos a comprender los superconductores de alta temperatura y las estrellas de neutrones.

Cada vez que hierves agua en una tetera, eres testigo de un fenómeno conocido como transición de fase – el agua se transforma de un líquido a un gas, como puedes observar en el burburjeante agua y siseante vapor. Físicos del MIT han observado ahora una transición de fase mucho más esquiva: de gas a superfluido, un estado en el que las partículas fluyen sin fricción.

El trabajo del MIT, publicado la semana pasada en la edición en línea de Science, también arroja luz sobre la superconductividad de los electrones en metales, incluyendo superconductores de alta temperatura que tienen el potencial de revolucionar la eficiencia energética.

Levitación magnética por superconductores © by sach1tb

Los investigadores, liderados por el Profesor Ayudante de Física en el MIT Martin Zwierlein, llevaron a cabo su experimento con un isótopo de litio que tiene un número impar de electrones, protones y neutrones. Tales partículas se conocen como fermiones. Para convertirse en un superfluido y fluir sin fricción, los fermiones tienen que agruparse en parejas. Ésto es lo que sucede en los superconductores, donde los electrones forman lo que se conoce como pares de Cooper, los cuales pueden fluir sin resistencia.

Análogo a la transición de agua a vapor, la transición de superfluido (pares) a gas normal (átomos aislados no emparejados) debería verse acompañada de un drástico cambio en la presión, densidad y energía del gas. Para observar directamente tal transición en un gas, el equipo del MIT tenía primero que atrapar el gas de litio en una trampa de átomos (en la cual los átomos quedan anclados por campos electromagnéticos) y enfriarlos a temperaturas ultrabajas – menos de una cienmilmillonésima de grado sobre el cero absoluto.

En este punto, se espera que se forme un superfluido que conste de pares de átomos en el centro de la trampa atómica, rodeado por una región normal de átomos desparejados. Entonces se usó una luz para arrojar la sombra de esta nube atómica sobre una cámara.

Usando las imágenes de la sombra, Zwierlein y los estudiantes graduados del MIT Mark Ku, Ariel Sommer y Lawrence Cheuk se propusieron medir con precisión la relación entre presión, densidad y temperatura del gas. La relación entre estas tres variables se conoce como “ecuación de estado” del sistema. (Por ejemplo, para el vapor de la tetera, se sabe que cuando aumenta la temperatura, la presión también aumenta). Una ecuación de estado determina completamente las propiedades termodinámicas de un sistema, incluyendo sus transiciones de fase.

Un nuevo ‘termómetro’

Un obstáculo en anteriores experimentos sobre la termodinámica de los gases ultrafríos era la ausencia de un termómetro fiable que pudiese medir la temperatura de una ráfaga de gas 10 millones de veces más fría que el espacio interestelar. Los  investigadores resolvieron este problema caracterizando cuidadosamente las propiedades de su trampa atómica.

“Como geómetras que miden las curvas de nivel de un paisaje, determinamos la forma exacta de nuestra trampa”, explica el estudiante graduado Mark Ku. “Estas curvas de nivel nos sirvieron luego como termómetro”.

Piensa en la trampa como en un valle lleno de niebla: En las regiones más altas, se encontrarían las regiones de niebla menos densa, mientras que en las zonas bajas del valle la niebla se vuelve más densa. Midiendo tres cantidades – la densidad del gas en una curva de nivel dada, su cambio de una línea a la siguiente y la cantidad total de gas encontrado en el camino hacia esa altitud – los investigadores pudieron determinar la ecuación de estado de su gas de fermiones.

Los átomos de estos gases interactúan con fuerza, no muy distinto a los electrones en los superconductores de alta temperatura. El mecanismo exacto para la superconductividad aún no se comprende por completo, y por el momento, los físicos no han sido capaces de predecir materiales que se hagan superconductores a temperatura ambiente. El equipo del MIT ha medido ahora la temperatura crítica para la superfluidez en su gas atómico de Fermi y han demostrado que, escalando hasta la densidad de electrones en un metal, la superfluidez tendría lugar muy por encima de la temperatura ambiente.

El nuevo trabajo representa un “magnífico logro”, dice Wilhelm Zwerger, Profesor de Física en la Universidad Técnica de Múnich en Alemania que no estuvo implicado en el estudio. De acuerdo con Zwerger, determinar la transición de fase para los superfluidos no sólo arroja luz sobre los gases de Fermi, sino que también podría ayudar a los científicos a comprender mejor la ecuación de estado para las increíblemente densas estrellas de neutrones, que son más pesadas que el Sol pero tienen un diámetro de apenas 12 kilómetros.

Autor: Anne Trafton
Fecha Orginal: 18 de enero de 2012
Enlace Original

Físicos de Austria y Japón son los primeros en medir dos cantidades físicas que se usaron en 1927 por Werner Heisenberg en una formulación inicial de la mecánica cuántica – pero luego se abandonó debido a que los términos no parecían coincidir con la teoría, que evolucionaba a toda velocidad. El experimento de los neutrones verifica una reformulación de 2003 del famoso principio de incertidumbre de Heisenberg que reintroduce los conceptos de error y perturbación.

Cuando Heisenberg propuso por primera vez el principio de incertidumbre, lo hizo en términos de reacción de una medida realizada sobre un objeto extremadamente pequeño. Su idea se resumía en el experimento mental del “microscopio de Heisenberg” donde se usaba un fotón para determinar la posición de un electrón. El fotón es dispersado por el electrón y luego detectado.

Heisenberg señaló que tal medida debía competir con una incertidumbre inherente en la medida de la posición en la que tenía lugar la dispersión – conocida como “error” – y una incertidumbre inherente sobre cómo cambiaba el momento del electrón por el proceso de dispersión. El último es conocido como “perturbación” y Heisenberg demostró que para un sistema cuántico, el producto de ambos no debe ser menor de un valor dado – el cual ahora se sabe que está relacionado con la constante de Planck.

Incertidumbre© by TMAB2003

Significado estadístico más profundo

Sin embargo, los conceptos de error y perturbación pronto cayeron en desuso, debido a que parecía aparente que existía una interpretación estadística más profunda de la incertidumbre en la mecánica cuántica. Como resultado, las ideas de Heisenberg no pudieron reconciliarse con la expresión matemática de la mecánica cuántica.

Heisenberg y otros empezaron a expresar el principio de incertidumbre usando conceptos estadísticos – el producto de las desviaciones estándar de la posición y el momento no debía ser menor que un cierto valor dado. Aunque esta formulación proporciona una definición más universal del principio de incertidumbre, siempre ha habido un persistente interés entre los físicos acerca de las ideas originales de Heisenberg de error y perturbación.

Entonces, en 2003, Masanao Ozawa de la Universidad de Nagoya en Japón, derivó una nueva expresión universal del principio de incertidumbre que incluye error y perturbación – así como los términos de desviación estándar. Ahora, Ozawa ha unido fuerzas con Yuji Hasegawa y sus colegas de la Universidad Tecnológica de Viena para confirmar los cálculos usando neutrones de espín polarizado. En lugar de mirar la posición y momento, el experimento mide dos componentes ortogonales del espín del neutrón – cantidades también gobernadas por el principio de incertidumbre.

Neutrones polarizados

El experimento empieza con un haz de neutrones termales monoenergéticos procedentes de un reactor de investigación – el tipo de neutrones que se usarían en estudios de difracción de neutrones por parte de sólidos. Los espines de los neutrones se alinean en la dirección Z haciendo pasar el haz a través de un filtro polarizador. El haz se envía entonces a un aparato que determina la desviación estándar en la medida de la polarización-X, y luego a un aparato similar que determina la desviación estándar en la polarización-Y.

El error y la perturbación se crean “adaptando” el primer aparato de forma que mida la polarización en el plano X-Y que es una pequeña desviación angular del eje-X. Además de crear un error bien definido en la medida de la polarización-X, la rotación también provoca una perturbación bien definida en la polarización-Y.

El error y la perturbación se determinan usando datos de las dos medidas de polarización – y están de acuerdo con la teoría de Ozawa.

Arbitrariamente pequeño

“Cuanto menor es el error en una medida, mayor es la perturbación en la otra – esta regla aún se mantiene”, dice Hasegawa. Sin embargo, señala que el experimento confirma el resultado de Ozawa de que el producto del error y la perturbación pueden ser arbitrariamente pequeños, confirmando que Heisenberg estaba en lo cierto al abandonar su formulación original.

“Éste, ciertamente, es el primer experimento en poner a prueba la formulación de Ozawa, por lo que creo que debería atraer más atención sobre dicha formulación, y cómo es universalmente válida, al contrario que la simplista relación medida-perturbación de Heisenberg”, dice Howard Wiseman de la Universidad Griffith de Australia.

“La idea simple de que la relación de incertidumbre puede surgir debido a que cualquier medida de la cantidad X “ronda” el valor de una cantidad complementaria Y, aún está muy presente en las charlas elementales de mecánica cuántica. Esperamos que este experimento ayude a disipar esa idea”.

El experimento se describe en Nature Physics.

Autor: Hamish Johnston
Fecha Original: 20 de enero de 2012
Enlace Original