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Nuevos conocimientos sobre partículas subatómicas – «Podría cambiar nuestra forma de entender la formación del Universo»

Actualidad Informática. Nuevos conocimientos sobre partículas subatómicas

Un equipo internacional de físicos ha publicado una investigación innovadora sobre la descomposición de las partículas subatómicas llamadas kaones (mesones K) – que podría cambiar la forma en la que los científicos a entienden la formación del universo. Nicolas Garron, investigador en el Centre of Mathematical Sciences, ha ayudado a diseñar el primer cálculo teórico de cómo el comportamiento de los kaones difiere cuando la materia – cualquier cosa con masa, como el mundo que nos rodea – se intercambia por antimateria – hecha de partículas similares con carga opuesta.

El cálculo del decaimiento de los kaones se llevó a cabo en supercomputadoras, cuyos cálculos  habrían tardado 200 M de horas de procesamiento en un ordenador portátil. La velocidad a la que decaen los kaones destaca que a pesar de ser prácticamente idénticos, existe una asimetría entre materia y antimateria. Esto es clave para la comprensión de los físicos del universo, ya que está actualmente aceptado que el universo fue «creado» con partes iguales de materia y antimateria, y, actualmente la materia ha sobrepasado a su contraparte negativa, los dos conjuntos de partículas deben de haberse comportado de manera diferente – por leve que fuera la diferencia.

El trabajo de un Premio Nobel, que se remonta a 1964 mostró por primera vez que la materia y la antimateria son asimétricas, un concepto conocido como violación indirecta CP. En el 2000, se pudo descubrir violación CP directa – un pequeño efecto, que sólo afecta a unas pocas partículas de entre un millón. Ahora,según  la investigación publicada, se ha reducido el cálculo aún más, por lo que es la primera predicción teórica de su tipo – en lugar de experimental.

En la actualidad, los resultados experimentales son consistentes con el cálculo teórico. Pero, con el camino ahora listo para para establecer aún más claramente la exactitud del cálculo, se espera que los resultados experimentales pueden no ajustarse a la predicción teórica – lo que significaría que un nuevo mecanismo debe ser responsable de la preponderancia de la materia.

«Los físicos han estado esperando durante más de 40 años este tipo de avance«, dijo Garron. «Suena extraño, pero estamos buscando que el cálculo teórico no coincida con los resultados experimentales, ya que esto significa que hay más en la conducta de estas partículas y nunca lo hemos entendido. El cálculo está en curso con una precisión que está aumentando rápidamente, dejando la posibilidad de que la evidencia de fenómenos nuevos, no descritos por nuestra teoría, sin embargo, puedan ser descubiertos«.

El superordenador en el que se llevó a cabo la investigación se encuentra en diversas instituciones en el Reino Unido y en EE.UU.. El mes pasado, la Universidad de Plymouth acordó una importante actualización de las instalaciones de computación, la mejora de la actual potencia de cálculo por aproximadamente un factor de diez.

«También somos parte de un consorcio de grupos de investigación y compartimos nuestros recursos con Cambridge, Edimburgo, Glasgow, Liverpool, Oxford, Southampton, y las universidades de Swansea. Este es un programa nacional llamado Dirac, que apoya la física de partículas, la astronomía y la cosmología, y ha recibido 15 millones de £ desde 2011. Esta investigación sobre la asimetría materia-antimateria, que desafía seriamente nuestra comprensión actual de la física de partículas, no habría sido posible sin instalaciones de supercomputación«.

Dr. Nicolás Garron es investigador en el  Centre of Mathematical Sciences, en la School of Computing, Electronics and Mathematics at Plymouth University.

El trabajo de investigación, titulado Standard Model Prediction for Direct CP Violation in K  Decay, ya está disponible para ver en la revista Physical Review Letters.

¿Resuelto el misterio de la falta de antimateria en el universo?

El descubrimiento de un campo magnético ‘zurdo’ que impregna el universo podría ayudar a explicar un misterio en pie desde hace tiempo – la ausencia de antimateria cósmica. Los planetas, estrellas, gas y polvo interestelar están casi completamente formados de materia «normal» del tipo que conocemos en la Tierra. Pero la teoría predice que debe haber una cantidad similar de antimateria, como la materia normal, pero con la carga opuesta. Por ejemplo, un antielectrón (un positrón) tiene la misma masa que su homólogo convencional, pero un positivo en lugar de carga negativa.

En 2001 Tanmay Vachaspati en la Universidad Estatal de Arizona (EE.UU.) publicó modelos teóricos para tratar de resolver este rompecabezas, que predicen que el universo entero está lleno de campos magnéticos (helicoidales, en forma de tornillo). Él y su equipo se inspiraron para buscar evidencia de estos campos en los datos del telescopio espacial de la NASA, Fermi de Rayos Gamma  (FGST).

Lanzado en 2008,  detecta rayos gamma (radiación electromagnética con una longitud de onda más corta que los rayos X) de fuentes muy distantes, como los agujeros negros supermasivos que se encuentran en muchas de las grandes galaxias. Los rayos gamma son sensibles al efecto del campo magnético mientras que viajan a través de un largo camino a la Tierra. Si el campo es helicoidal, se imprimirá un patrón en espiral sobre la distribución de los rayos gamma.

Vachaspati y su equipo ven exactamente este efecto en los datos de FGST, lo que les permite no sólo detectar el campo magnético, sino también medir sus propiedades. Los datos muestran no sólo un campo helicoidal, sino también que hay un exceso zurdo – un descubrimiento fundamental de que por primera vez sugiere el mecanismo preciso que condujo a la ausencia de antimateria.

Por ejemplo, los mecanismos que se producen nanosegundos después del Big Bang, cuando el campo de Higgs dio masas a todas las partículas conocidas, predicen campos zurdos, mientras que los mecanismos basados en las interacciones que se producen incluso antes predicen campos diestros.

Actualidad Informática. ¿Resuelto el misterio de la falta de antimateria en el universo?. Rafael Barzanallana

Ilustración del mapa del cielo mediante el Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma (FGST), con la banda central bloqueando los rayos gamma procedentes de la Vía Láctea. Los rayos gamma de diferentes energías están representados por puntos de diferentes colores – puntos rojos representan los lugares de llegada de los rayos gamma muy energéticos, puntos verdes representan una energía inferior, y los puntos azules representan la energía más baja. El nuevo análisis busca patrones en espiral en la distribución de rayos gamma dentro de zonas en el cielo, con rayos gamma de energía más elevada en el centro de la espiral y los rayos gamma de energía inferior más a lo largo de la espiral. Un campo magnético helicoidal en el universo produce un excedente de espirales de un solo tipo – y  los datos de FGST muestran un exceso de espirales zurdos. (Crédito: Hiroyuki Tashiro).

Tanto el planeta en que vivimos y su estrella que se componen de materia «normal». A pesar de muchas historias de ciencia ficción, la antimateria parece ser muy rara en la naturaleza. Según Vachaspati, «con este nuevo resultado, tenemos uno de los primeros indicios de que podríamos ser capaces de resolver este misterio».

Este descubrimiento tiene implicaciones amplias, de como un campo magnético cosmológico  podría desempeñar un papel importante en la formación de las primeras estrellas y podría sembrar el campo más fuerte que se observa actualmente en galaxias y cúmulos de galaxias.

Fuente:  The Daily Galaxy

Superordenador IBM para probar la relación materia-antimateria

Actualidad Informática. Simulación física de partículas con IBM Blue Gene. Rafael Barzanallana

Las rupturas son a menudo desordenada, y en la división de las partículas subatómicas, las partículas hijas no son una excepción. Ahora la capacidad de simular un famoso decaimiento de partícula podría ayudar a responder a una de las cuestiones más candentes en la física: por qué el universo parece contener más materia que antimateria.

De acuerdo a nuestra imagen actual, el Big Bang produjo partículas y antipartículas en cantidades iguales, la mayoría de las cuales  se aniquilaron mutuamente para liberar energía. En algún momento, algún factor desconocido ha llevado a  la existencia de más partículas que antipartículas.

Una pista de lo que esto podría ser  surgió en 1964, cuando James Cronin y Val Fitch,  en la Universidad de Chicago, observaron partículas subatómicas llamadas kaones, decaer en dos piones, otro tipo de partículas.

Creemos que la antimateria es como una copia exacta de la materia, pero a la inversa, con ciertas propiedades – por ejemplo, la antipartícula de una partícula cargada tiene la carga opuesta. Sin embargo, en la descomposición de Fitch y Cronin observaron que  la antimateria deben diferir en algún otro modo fundamental. Ese es el tipo de asimetría necesaria para explicar el  puzzle más  grande de materia-antimateria, y en 1980, la pareja ganó el premio Nobel de Física.

La comprensión de las interacciones que participan en este decaimiento del kaón ha demostrado ser difícil, sin embargo. Un mecanismo teórico de la decadencia existe, pero nadie podía saber si sus predicciones estaban a la altura de las observaciones experimentales.

Ahora un equipo de investigadores del Reino Unido, EE.UU. y Alemania han utilizado el superordenador IBM BlueGene / P  del Laboratorio Nacional Argonne en Illinois, además de otras supercomputadoras, para simular un kaon decaer en dos piones, por primera vez.

El equipo utilizauna técnica llamada celosía QCD para simular una región del espacio a través de cinco femtometros, en la que cientos de interacciones entre quarks y gluones que llevan la fuerza, se llevará a cabo. «El resultado es una especie de enjambre de todos los diferentes tipos de partículas, antipartículas y  gluones», dice el miembro del equipo de Norman Christ de la Universidad de Columbia en Nueva York.

El equipo comenzó mediante la simulación de un kaon compuesto por un quark down y un antiquark extraño, y luego cambió a éste en un quark abajo. El modelo estándar de física de partículas, dice que este cambio se debe generar dos pares quark-antiquark necesarias para hacer dos piones. A continuación, el equipo hace la simulación de los piones, que permita calcular la probabilidad de que efectivamente se produjo por el Kaon. Después de 281 días de tiempo en la computadora, el resultado fue un valor para la probabilidad de que el kaon decaería en dos piones, que coincide con las mediciones experimentales (arxiv.org/abs/1111.1699).

«Este es un cálculo que no podíamos siquiera hemos tocado sin este superordenador», dice Christ. Sin embargo, el trabajo, que será publicado en Physical Review Letters, no explica del todo la asimetría materia-antimateria a apuntalar la decadencia kaon. Eso requerirá una simulación más complicada en una supercomputadora más potente. Si eso está de acuerdo con el experimento también puede significar que el modelo estándar, que abarca todas las partículas y fuerzas conocidas, pero es casi seguro que incompleto, es suficiente para explicar el enigma de materia-antimateria.

Aaron Roodman del SLAC National Accelerator Laboratory, en Palo Alto, California, quien no estuvo involucrado en el trabajo, dice que cualquier desajuste todavía puede revelar la necesidad de una nueva física. «Si no están de acuerdo, entonces puede ser que tengamos algo nuevo».

Fuente: NewScientist

Es posible la generación de materia y antimateria de la nada

Bajo condiciones ideales – que implican una alta intensidad de un haz láser y 1 600 metros de largo y dos aceleradores de partículas –  podría ser posible crear algo de la nada, de acuerdo con investigadores de la Universidad de Michigan (EE.UU.).

Los científicos e ingenieros han desarrollado nuevas ecuaciones que muestran cómo un haz de electrones de alta energía en combinación con un pulso láser intenso puede destrozar un vacío dando origen a componentes fundamentales de materia y antimateria, y se desataría una cascada de eventos que generan pares adicionales de partículas y antipartículas.

«Ahora podemos calcular como, a partir de un solo electrón, varios cientos de partículas pueden ser producidas. Creemos que esto sucede en la naturaleza, cerca de púlsares y estrellas de neutrones», dijo Igor Sokolov, un científico de investigación en ingeniería que realizó esta investigación junto con el científico investigador asociado John Nees,  profesor emérito de ingeniería eléctrica Gerard Mourou y sus colegas de Francia.

En el corazón de este trabajo está la idea de que el vacío no es exactamente nada. «Es mejor decir, siguiendo al físico teórico Paul Dirac, que el vacío, o nada, es la combinación de materia y antimateria – partículas y antiparticles. Es tremendo, pero no podemos percibir cualquiera de ellos, porque sus efectos observables por completo se anulan entre sí «, dijo Sokolov.

La materia y la antimateria se destruyen entre sí cuando entran en contacto en condiciones normales.

«Pero en un fuerte campo electromagnético, esta aniquilación, que suele ser un mecanismo disipador, puede ser el origen de nuevas partículas,» dijo Nees. «En el curso de la aniquilación, los fotones gamma aparecen, y pueden producir electrones y positrones adicionales. »

Un fotón gamma es una partícula de  luz de alta energía. Un positrón es un anti-electrón, una partícula de imagen especular con las mismas propiedades que un electrón, pero una carga opuesta, positiva.

Los investigadores describen este trabajo como un gran avance teórico, y un «salto cualitativo en la teoría.»

Un experimento de finales de los 90 del siglo pasado logró generar a partir de un vacío  fotones gamma y un par electrón-positrón ocasional.  Estas nuevas ecuaciones llevan este trabajo un paso más al modelo de cómo un campo láser fuerte podría promover la creación de más partículas que las que se inyectan inicialmente en un experimento a través de un acelerador de partículas.

«Si el electrón tiene una capacidad para convertirse en tres partículas dentro de un plazo muy corto, esto significa que no es un electrón por más tiempo», dijo Sokolov.  «La teoría del electrón se basa en el hecho de que será un electrón para siempre. Pero en nuestros cálculos, cada una de las partículas cargadas se convierte en una combinación de tres partículas, más un cierto número de fotones.»

Los investigadores han desarrollado una herramienta para poner en práctica sus ecuaciones en el futuro en una escala muy pequeña con el láser HERCULES en la UM. ara probar el potencial completo de su teoría, un láser tipo HERCULES tendría que ser construido en un acelerador de partículas como el SLAC National Accelerator Laboratory en la Universidad de Stanford. Dicha infraestructura no está actualmente prevista.

Este trabajo podría tener aplicaciones en la fusión por confinamiento inercial, lo que podría producir energía más limpia en las reacciones de fusión nuclear, dicen los investigadores. Para Sokolov, es fascinante desde una perspectiva filosófica.

«La pregunta básica ¿qué es un vacío, y lo que es nada, va más allá de la ciencia», dijo. «Está profundamente arraigado en la base no sólo de la física teórica, sino de nuestra percepción filosófica de todo – de la realidad, de la vida, incluso la cuestión religiosa, que todo el mundo podría haber venido de la nada.»

Un artículo sobre este trabajo ha sido publicado en Physical Review Letters.

Sokolov es un científico investigador del Laboratorio de Investigación de Física Espacial del Departamento de Atmospheric, Oceanic and Space Sciences. Nees es un científico investigador asociado en Center for Ultrafast Optical Science y profesor asociado adjunto en el Departamento de Electrical Engineering and Computer Science.  Mourou es el AD Moore distinguido profesor emérito de Ingeniería Eléctrica que se encuentra actualmente en  el Institut de la Lumiere Extreme en Francia.  También contribuyeron Natalia M. Naumova, en el Laboratoire d’Optique Appliquee en Francia.

Esta investigación fue financiada en parte por el Departamento de Energía de EE.UU.

Fuente:  ScienceDaily

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Enlaces de interés:

–  Actualidad informática:  Física

–  La energía es única. Física y pseudociencias

–  Historia de la medida de la velocidad de la luz.

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