Lanzamos DF INNOVA

• Novedades del DF

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El primer evento se realizó el 20 de mayo, participaron empresas que utilizan grandes cantidades de datos y valoran la capacidad analítica y creativa de profesionales formados en ciencias físicas para abordar problemas complejos.
​​​​​​​La reunión resultó muy productiva e inauguró un canal de comunicación donde recibimos cinco ofertas laborales en pocas horas.
Para quienes deseen conocer más sobre la iniciativa pueden hacerlo a través del sitio web. También los invitamos a sumarse.

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Ecos de nueva física en la rotación del muón

“Los muones han tambaleado más de lo esperado en un anillo magnetizado”, fue el anuncio que los físicos del Fermi National Accelerator Laboratory han hecho en estos días. Tres investigadores del DF explican el anuncio, los desafíos y dificultades que implica este acercamiento a lo que en la jerga se llama "nueva física", es decir, más allá de la frontera del Modelo Estándar.

El experimento g-2 en Fermilab: la danza de las partículas virtuales

*Por Ricardo Piegaia 

La semana pasada, el experimento g-2 del Laboratorio Fermilab en EE.UU. anunció sus primeros resultados, que muestran una discrepancia entre la predicción teórica y el valor experimental del momento magnético anómalo del muón, una partícula elemental sin estructura interna, pariente del electrón sólo que algo más pesada.

Ahora bien, ¿qué es momento magnético anómalo y por qué importa su medición para el muón?, ¿cuán interesante es el resultado obtenido?, ¿por qué el experimento se llama g-2?. Veamos.

De Física 3 sabemos que una partícula de carga e y masa m, con impulso angular L, tiene asociado un momento dipolar magnético dado por μ=(e/2mc)L, donde c es la velocidad de la luz. En presencia de un campo magnético uniforme éste rota sobre sí mismo pues recibe un torque τ=μxB. La medición de la velocidad angular de esta rotación permite entonces determinar el valor de μ.  Cuando se descubrió, en los albores de la cuántica, que las partículas poseían impulso angular intrínseco, se descontó que tendrían asimismo un momento magnético intrínseco dado por la ecuación clásica  μ=(e/2mc)S, donde el spin S vale ħ/2 para el caso del electrón y el muón, siendo ħ la constante de Planck reducida. La naturaleza, como tantas veces, decidió dar una sorpresa y el valor experimental resultó ser el doble, o sea μ=g(e/2m)S donde g=2 es una corrección empírica. Más tarde, en 1930, Dirac propuso su famosa ecuación y logró mostrar que el factor g=2 surgía naturalmente al combinar la cuántica y la relatividad.

Pero la historia no quedó ahí. Hacia 1950 se descubrió experimentalmente que el momento magnético del electrón era "anómalo": g no era exactamente 2. La diferencia, g-2, que dio nombre al reciente experimento en Fermilab, era de 0.1%, pequeña pero no nula.

Para esa misma época se desarrolló la teoría cuántica de campos (QFT), en la que se basa hoy en día el llamado Modelo Estándar (SM), la exitosísima teoría que describe la materia y las interacciones fundamentales en términos de 17 partículas elementales.  Una de las predicciones de QFT es que el vacío, lejos de estar "vacío", rebosa de fluctuaciones en que pares de partículas del SM se crean y prontamente se aniquilan. Para indicar su existencia efímera, se las denominó partículas virtuales.

Una partícula aislada, como un electrón o un muón, se ve afectada por este mar de partículas virtuales, causando  pequeñas pero calculables desviaciones en el valor del dipolo magnético predicho por la ecuación de Dirac.  El Modelo Estándar permite calcular cómo se afecta el g-2 de una dada partícula elemental, p.ej el electrón, por encontrarse rodeada de las fluctuaciones virtuales de las 17 partículas que componen el Modelo Estándar.  La belleza de esto es que el electrón interactúa también con las fluctuaciones virtuales de partículas que aún no hayamos descubierto, si éstas existieran. De ahí la importancia de medir el momento magnético anómalo. Una desviación experimental respecto a las predicciones del SM sería evidencia de "nueva física".

La medición más reciente para el electrón es de 2008, mientras que la predicción teórica se refina año a año. La situación hoy en día se resume comparando los factores de anomalía ae=(g-2)/2, que corresponden a la desviación relativa respecto a la predicción de la ecuación de Dirac:

ae(exp) = 0.00115965218073 (28)

ae(teo)  = 0.00115965218204 (72)

Es remarcable la semejanza entre ambos valores.  De hecho, se trata del resultado con mayor nivel de acuerdo entre teoría y experimento en todas las ciencias naturales. Un triunfo para QFT y su danza de partículas virtuales en el vacío.

Las cifras entre paréntesis indican la incerteza en los últimos dos dígitos.  En el caso experimental esta proviene de la precisión de los instrumentos de medición. Es interesante que la teoría también presente una incerteza, y de hecho mayor que la experimental. La razón es que la predicción teórica depende a su vez de magnitudes experimentales como la carga y masa del electrón y el muón, la constante de Planck, o la velocidad de la luz.

Ahora, ¿por qué el g-2 del muón es más interesante? La teoría cuántica de campos predice que el efecto de una partícula virtual X en el g-2 del electrón o del muón depende del cociente me/mX o mμ/mX, respectivamente. Como el electrón es muy liviano (1/2000 la masa del protón), esta influencia es muy pequeña. Y aquí es donde hace su entrada el muón. Con 200 veces más masa que el electrón, es mucho más sensible a las fluctuaciones de vacío de las partículas más pesadas, tanto las conocidas como las no descubiertas aún. La ventana a nueva física que abre el g-2 del muón es mucho más amplia.

¿Y cuál es la situación actual? Para darse cuenta de las dificultades involucradas, mencionemos que el valor teórico surge de un comité de 170 expertos que arribó a un resultado consensuado  basado en tres años de talleres y cálculos utilizando el Modelo Estándar. Y aún así no es total el acuerdo en la comunidad. Desde el punto de vista experimental, toma la palabra el resultado de esta semana en Fermilab:

aμ(exp)=0.00116592061(41)

aμ(teo) =0.00116591810(43)

 ¿Son consistentes estos resultados o hay discrepancia? ¿La diferencia se puede explicar como una fluctuación? Ilustremos esto comparando con el experimento de tirar 100 veces una moneda para averiguar si está cargada. Si salen 50 caras, no hay evidencia de moneda cargada. Si salen 58 caras, todos estaremos de acuerdo que puede ser la fluctuación estadística de una moneda no cargada.  Esa es la situación con el g-2 del electrón. Ahora, ¿cuántas caras deberían salir para que concluyamos que la moneda está cargada (o que hay nueva física, en el caso de Fermilab)?  Los físicos requerimos lo que se denomina una discrepancia  de 5 sigmas, que en el caso de la moneda correspondería a obtener 75 caras. Bien, el resultado del muón corresponde a 71 caras. Casi casi. Teniendo en cuentas que hasta ahora solo han utilizado 5% de los datos totales que colectarán, hay buenas perspectivas que podrán dar una respuesta concluyente a la pregunta "¿hemos visto nueva física?".

No deja de impresionarme que midiendo a qué velocidad rota un muón en un campo magnético uniforme se pueda descubrir nueva física antes que haya evidencia de ella en los experimentos diseñados a tal fin en los grandes colisionadores. Qué linda que es la física.

Incertezas en las predicciones del modelo estándar

 *Por Rodolfo Sassot

La comparación entre teoría y experimento al extraordinario nivel de precisión del experimento Muon g-2 [1], que es del orden de media parte por millón,  requiere que en el cálculo teórico se incluyan las contribuciones de los efectos  de la polarización del vacío. Estos efectos son predichos por las teorías cuánticas de campos con las cuales describimos las interacciones en el Modelo Estándar y se pueden pensar por analogía con la polarización de un medio material. 

De la misma manera que la presencia de una carga eléctrica puede alterar la distribución de cargas presentes en el medio, y dicha redistribución modifica la forma en que se percibe la carga y sus interacciones asociadas, a nivel ultra-microscópico las partículas -en nuestro caso el muón- interactúan con las fluctuaciones del vacío en pares partícula-antipartícula.

En el caso de las interacciones electromagnéticas y débiles los efectos asociados a la polarización del vacío se pueden calcular de primeros principios en forma perturbativa, y el error introducido por el truncamiento de la serie perturbativa  es despreciable comparado con el error experimental para el experimento Muon g-2. En cambio, para las interacciones fuertes, no es posible hacer un cálculo perturbativo ya que el mismo no converge para el rango de energías involucradas en este experimento, y es necesario estimar la contribución de otra manera. 

La manera más tradicional de hacerlo es analizar otros procesos donde intervienen estas correcciones y que ya han sido medidos, como la producción de partículas en la aniquilación electrón-positrón o los decaimientos del mesón tau, y aislarlas a  partir de consideraciones generales, denominadas genéricamente métodos dispersivos. Esto, por supuesto no está exento de ambigüedades; no sólo las incertezas experimentales de dichas mediciones, sino otras de tipo más metodológico. De hecho, son las principal fuente de error en las predicción teórica del momento magnético del muón. Con el objeto de tener en cuenta los resultados de las distintas metodologías y mediciones, y combinarlos en una única predicción teórica, desde 2017 más de un centenar de especialistas conformaron un grupo de trabajo denominado "Muon g−2 Theory Initiative" [2]. El experimento Muon g-2 utiliza la predicción teórica  de este grupo de trabajo y a partir de ella llega a la conclusión de que hay una discrepancia de 4.2 desviaciones estándar entre teoría y experimento.  

Alternativamente, las correcciones asociadas a las interacciones fuertes pueden ser estimadas usando técnicas de teoría de campos en el retículo (lattice), que es una acercamiento a los problemas que no admiten un tratamiento perturbativo muy promisorio y que ha venido evolucionando rápidamente en los últimos años [2,3]. Sin embargo, típicamente las predicciones que realiza tienen mayores incertezas que las de los métodos dispersivos y difieren entre sí significativamente dependiendo de las aproximaciones que realiza cada grupo. Dentro de la gran variabilidad de estos cálculos es que se pueden encontrar estimaciones que acuerdan alternativamente con las predicciones de los métodos dispersivos, como con el resultado experimental, no dejando espacio para contribuciones de potencial nueva física [3].   

[1] B. Abi et al., arXiv:2104.03281

[2] T. Aoyama et al., Phys. Rept. 887 (2020) 1-166, arXiv:2006.04822.

[3] Sz. Borsanyi1, et al., Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-021-03418-1

El muón nos indica el camino hacia nueva física

*Por Daniel López - Fogliani     

Fermilab ha anunciado el 7 de Abril de 2021 una discrepancia de más de cuatro sigmas para el momento magnético anómalo del muón con respecto a la predicción del modelo estándar de las partículas elementales (SM). Un deseado indicio de física más allá del modelo estándar. Si bien cierta cautela siempre es necesaria, y todavía hay cierta controversia entorno a los cálculos realizados en el SM, sobre todo desde la comunidad que trabaja en ''lattice QCD'', hay motivos para el entusiasmo. Los autores del artículo Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD, donde obtienen un resultado en él cuál desaparece la discrepancia entre el SM y los experimentos, han finalmente publicado sus resultados en la revista Nature más de un año después de la aparición en arXiv y justo cuando se daba el anuncio de Fermilab. Pero, por otro lado Consistency of hadronic vacuum polarization between lattice QCD and the R-ratio fue publicado hace tiempo en PRD y mantiene la discrepancia entre resultado experimental y la predicción del SM. La controversia entre distintos resultados que utilizan "lattice QCD" continua.

El SM es el modelo más simple que describe la física de las partículas fundamentales, con excepción de la física de neutrinos y la materia oscura que requieren extender el modelo. Podemos decir que el muón es un hermano del electrón, que posee mayor masa. Es pertinente observar que recién en el año 2012 se terminó de confirmar experimentalmente la existencia de todas las partículas predichas por el SM, con el afamado descubrimiento del Bosón de Higgs.

Entre las propuestas para explicar la física más allá del modelo estándar se encuentran las extensiones supersimétricas del mismo. Desde el punto de vista teórico son capaces de describir toda la fenomenología conocida, dando al mismo tiempo un entendimiento profundo de la física hasta la escala de Planck. Escala que se encuentra lejos de poder ser escudriñada por experimentos, y a la cuál el propio espacio-tiempo sufre la indeterminación cuántica.

Modelos supersimétricos muy simples como el μνSSM son capaces de dar cuenta de la física de neutrinos,  brindar candidatos a materia oscura en forma natural, y reproducir el reciente resultado que se aleja de las predicciones del SM. Además, señales de nueva física que pueden ser observadas en un futuro cercano en experimentos como el LHC son predichas por este tipo de modelos. Trabajando codo a codo experimentales y fenomenólogos lentamente se van desvelando los misterios de la naturaleza, y nuevos resultados experimentales pueden estar por sorprendernos en el futuro cercano.

 "Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm", Phys. Rev. Lett.126.141801 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801

Pasajeros en trance

• Novedades del DF

*Por Federico Kukso

Un equipo transdisciplinario estudió durante un año qué efectos tienen los alucinógenos en el cerebro de quienes los consumen de manera recreativa, personal o religiosa. 

Las puertas de la percepción vuelven a abrirse para la neurociencia.

Arecibo ya no descifra los mensajes del universo

• Novedades del DF

*Por Lis Tous

El 1 de diciembre pasado colapsó el radiotelescopio ubicado en Arecibo, al norte de Puerto Rico. Fue un gigante que ayudó, durante 45 años, a descubrir fenómenos astronómicos nunca antes imaginados. Desfinanciado y con problemas de mantenimiento, su estructura dijo basta. El investigador argentino, Félix Mirabel, quién trabajó en el centro de Arecibo, reflexiona sobre el valor de este proyecto que hizo historia en la ciencia mundial.

El legendario radiotelescopio de Arecibo ha colapsado luego de sufrir varios deterioros en su estructura. Ubicado en el norte de la isla de Puerto Rico, en los últimos años había soportado tres huracanes, terremotos de magnitud y una desfinanciación constante. Desde agosto se registraron daños importantes, por lo que los ingenieros que debían evaluar el deterioro habían recomendado su desmantelamiento. El 1ro. de diciembre último, mientras se monitoreaba a través de cámaras el estado de los cables, vimos derrumbarse la plataforma de los receptores del radiotelescopio sobre la antena. Novecientas toneladas desplomadas en segundos marcaron el fin de este mensajero del universo.

Durante medio siglo, el que fuera el detector de ondas de radiofrecuencia más grande del mundo permitió observar y estudiar los púlsares, ese fenómeno que se origina en las estrellas de neutrones, que es una forma particular de morir que tienen las estrellas. Pero no solo eso: el Observatorio de Arecibo abrió las puertas hacia el universo profundo: permitió probar indirectamente la existencia de ondas gravitacionales. En 1974 permitió el descubrimiento del primer sistema binario de púlsares, hallazgo que dio lugar al premio Nobel de Física de 1993.

En agosto de 1989, el radar de Arecibo hizo posible construir la imagen de un asteroide por primera vez en la historia: el Castalia. A partir de las observaciones realizadas en Arecibo también se detectaron los primeros planetas fuera de nuestro sistema solar y se determinó el período de rotación de Mercurio. Funcionando como radar permitió  explorar la atmósfera superior terrestre así como desentrañar la superficie de Venus.

Como tantos astrónomos alrededor del mundo, el argentino Félix Mirabel trabajó en el Observatorio de Arecibo. Durante una década desarrolló distintos proyectos de observación, compartió con sus colegas largas temporadas en esa área natural de Puerto Rico que alberga  toneladas de acero, hoy enmarañadas. “Fui por primera vez en 1979, siendo investigador posdoctoral en la Universidad de Maryland. Envié una propuesta para observar durante dos semanas, varias horas por día y obtuve el financiamiento para hacerlo. Luego, durante más de diez años fui regularmente por diferentes proyectos. La última vez que estuve fue en 1989, pero nunca perdí contacto con la gente del lugar, y sé que los dos últimos años han sido muy duros”, dice Mirabel, conmocionado, luego de ver las imágenes del colapso del telescopio que se difundieron por las redes sociales.

Mirabel es Investigador en el Instituto de Astronomía Física del Espacio de UBA-CONICET, fue director de los Observatorios Europeos del Sur (ESO) en Chile y director de Investigaciones en el departamento de astrofísica de la Comisión de Energía Atómica de Francia. Es miembro de la Academia Nacional de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.

-¿Por qué este radiotelescopio era tan especial?

-Esencialmente por la superficie colectora, la cual era equivalente a la suma de todos los radiotelescopios del mundo. El diámetro es de  305 metros, la circunferencia es de casi un kilómetro. Lo recuerdo bien porque hacíamos ejercicio ahí, corríamos alrededor del plato. La superficie colectora de radiación es muy grande y por consiguiente se podían detectar señales muy débiles que otros radiotelescopios no pueden. Para nuestro proyecto de observación de galaxias infrarrojas ultraluminosas, en unos pocos minutos logramos un muy buen espectro, en otros esa observación llevaba horas. Pero, además, es un radiotelescopio que no sólo funcionaba como receptor sino también como radar, el radar más poderoso del mundo, por eso frecuentemente lo utilizaba la NASA para dar seguimiento a sondas espaciales en el espacio interplanetario. También se utilizaba como alarma sobre posibles asteroides que podrían colisionar con la Tierra. Es decir, era un instrumento de una versatilidad muy grande,  era único.

-Ese plato que usted menciona era básicamente una malla de alambre sobre una depresión del terreno, y en altura había una antena sostenida por tres cables de acero, la estructura que vimos derrumbarse. ¿Cómo funcionaba?

-En este radiotelescopio, en lugar de mover el espejo primario, se mueve el foco sobre una plataforma en altura, y así se simula el movimiento de esa malla receptora, y dependiendo de la declinación de las fuentes se podía observar cada objetivo por un intervalo máximo de dos horas. La plataforma colapsó, este problema comienza a ser agudo cuando se proyecta la instalación de más instrumentos de hasta 200 toneladas sobre la plataforma y uno de los cables empezó a deshilacharse.

-¿Cuáles cree que han sido los descubrimientos más importantes que se lograron gracias al radiotelescopio de Arecibo?

-Según mi parecer, el más importante fue el que dio lugar al premio Nobel de 1993, a Joseph Taylor y  Russell Hulse a partir del descubrimiento de un sistema binario de púlsares. Conocí a Taylor años antes de que él ganara el Premio Nobel. Pasó su año sabático en Arecibo, trabajando muchas horas diarias en un sistema instrumental de detección muy sofisticado para la resolución temporal de señales pulsantes y escribiendo un libro. Cuando yo era estudiante de licenciatura se descubrieron los púlsares por primera vez y por la precisión de los períodos de pulsación se llegó a creer que eran los hombres verdes enviándonos señales, no se conocía ningún fenómeno natural que pudiera producir ese tipo de señales. Fue -en 1974- el profesor Carlos Jaschek, del Observatorio de La Plata, quien nos comentó la noticia. Durante las observaciones de ese púlsar binario, Taylor fue constatando que el período orbital entre las dos estrellas de neutrones decrecía con el tiempo, lo que quiere decir que había una pérdida de energía orbital que se producía por la radiación de ondas gravitacionales. El Nobel 2017 fue entregado por esta detección indirecta de ondas gravitacionales a LIGO. El otro gran descubrimiento fue la observación de un par de objetos alrededor de un púlsar que llamaron planetas porque producían un tironeo de la estrella de neutrones y, por consiguiente, variaciones en los pulsos de los púlsares asociados a la estrella de neutrones. Esto fue un descubrimiento muy importante, pero quizás no con el impacto del descubrimiento posterior de un sistema planetario como se produjo más tarde por medio de observaciones ópticas. Además, Arecibo fue utilizado como radar para hacer la prospección de la superficie de Venus, un planeta con una atmósfera muy densa, y también como alarma de posibles asteroides que se acercan a la Tierra.

-Imagino que era un lugar único, también, para encontrarse con colegas y pasar temporadas de observación.

-Es un lugar muy especial. Aleksander Wolszczan, el polaco que descubrió el par de planetas asociados a un púlsar, era staff permanente de Arecibo, y cuando visité Varsovia para dar conferencias, descubrí que allí  lo llamaban el Copérnico del siglo XX.  También pude conversar con Michel Mayor, quien recibió el premio Nobel por el descubrimiento del primer sistema planetario extrasolar.

-Arecibo es muy importante para usted, para su carrera. ¿Cuáles han sido sus trabajos allí?

-Mi primer estudio fue sobre nubes de gas de hidrógeno atómico provenientes de las galaxias satélites llamadas “Nubes de Magallanes”.  Ese gas cae hacia la Vía Láctea a velocidades de 400 km por segundo, y en aquella oportunidad encontré evidencia directa de la colisión de esas nubes de hidrógeno con la Vía Láctea. Esa fue la primera evidencia indirecta de la existencia de un medio intergaláctico de gas ionizado con temperaturas de cien mil grados Kelvin, muy difícil de detectar directamente, pero que en la actualidad se piensa constituye una fracción importante de la masa bariónica -materia- del universo. Pero mi proyecto más importante en el Observatorio de Arecibo vino después con el inicio del descubrimiento de un nuevo tipo de galaxias, muy extrañas por su forma irregular, que más tarde confirmé con mi colega Dave Sanders, de Caltech: eran galaxias en colisión en avanzado estado de fusión. Usando el satélite Infrared Astronomical Satellite (IRAS) de NASA, descubrimos que eran galaxias con radiación equivalente en energía a los cuásares, pero en el infrarrojo. Son galaxias ultraluminosas, en el infrarrojo radian tanto como un millón de millones de soles pero no se detectan de forma óptica, son oscuras a los ojos. Este fue mi proyecto más productivo en Arecibo porque significó la apertura de nuevos horizontes de investigación.

-¿Qué piensa que sucederá con el resto del Observatorio y los grupos de trabajo que estaban allí?

-Hay proyectos que solo podían ser desarrollados en Arecibo y serán definitivamente abortados, a menos que puedan ser continuados con el nuevo radiotelescopio FAST de 500 metros de diámetro en China. Supongo que una fracción importante de los trabajadores del observatorio perderá su trabajo. Con seguridad será una gran pérdida a nivel educativo y recursos para los habitantes de la región de Arecibo y Puerto Rico en general.