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Cipadritos, quiero compartir con ustedes una noticias del ATOMKI que han tenido una relativa baja divulgación por los medios, es de esperar, tenemos unos de los periodismos más callamperos del mundo, pero independiente de esto, quiero explicarlo para que vean del alcance de esto y como puede cambiar la comprensión que la humanidad tiene del universo. Como he tenido algunas críticas en mis post de ciencia, diciendo que son algo complicados, dividiré este tema en dos partes, una general y simple, para que puedan opinar los votantes del apruebo y una segunda parte donde se explica en más profundidad para los antronianos todólogos
I. Descripción general
Yo les he explicado que muchos experimentos que han estudiado la constante cosmológica (tasa de crecimiento del espacio-tiempo a escala cosmológica) el estudio de las anisotropias de la radiación de fondo de microndos, las misiones de los satélites Cobe en 1992, Wmap 2003 y Planck el 2013 han concluido que nuestro universo esta constuido principalmente por una energía de naturaleza aun no determinada llamada energía oscura, la cual es la responsable de la expansión acelerada del universo (modelo Lambda-CDM o ΛCDM en inglés: Lambda-Cold Dark Matter) en un 73%, un 23 % algún tipo de materia constituida con partículas másicas de baja interacción y solo yb 4 % de materia ordinaria, como la que constituye las estrellas, planetas, polvo galáctico y nosotros mismos.
Durante muchos años se ha tratado de entender cual es la naturaleza de ese tipo de "materia escura" que representaría casi la cuarta parte del universo conocido y unas 5 veces más abundante que la materia para la cual la humanidad ha desarrollado 200 años de teoría de partículas, no obstante, hasta la fecha no había sido posible detectar a una partícula que fuera la responsable de esa "falta de masa" que se observa en la rotación de las galaxias, de hecho en un tiempo se creyó que podían esta masa ser atribuida a neutrinos, no obstante las ultimas mediciones de sus oscilación han concluido que no tienen en sus tres familias (electrónico, muónico, y tauónico) la masa suficiente, se postuló que esta diferencia de masa podría ser producto de agujeros negros primordiales, tipo agujeros de gusano (puentes de Einstein-Rose) remanentes del proceso de inflación cósmica, no obstante la ausencia de detección de estos hace poco probable que sean la explicación a esta materia oscura. Los científicos teorizarón que esto puede ser una partícula nueva, que no esta en el modelo estandar.
En el modelo estándar de partículas, tenemos explicado a nivel cuántico 3 de las 4 fuerzas fundamentales, el electromagetismo que afecta a las particulas dotadas de carga eléctrica son mediados por fotones, la fuerza nuclear débil que explica la desintagración radioactiva es mediada por los bosones Z y W y la fuerza nuclear fuerte, que afecta a partículas con carga de color y que permite a los quarks estar confinados en los nucleones, esta mediada por gluones (también estos con carga de color a diferencia de los fotones que no tienen carga eléctrica). La gravedad aun no tiene una explicación a nivel cuántico, ni se ha detectado su partícula bosonica mediadora (el graviton). (posiblemente haga un tema sobre gravedad cuántica y teoría de unificación)
Es decir, para entender el origen de estas particulas hay que buscar física nueva, mas amplia que este modelo, el cual al parecer sirve para explicar solo el 4% del universo, dejando en evidencia el profundo desconocimiento de la humanidad de este.
II. El descubrimiento
En mayo del año 2015 físicos húngaros del Instituto de Investigación Nuclear de la Academia de Ciencias de Hungría en Debrecen, liderado por Attila Krasznahorkay, informó de su sorprendente resultado en el servidor para textos científicos arXiv y el pasado mes de enero del 2016 publicó sus conclusiones en la revista Physical Review Letters. El estudio sugería la existencia de un nuevo bosón ligero, sólo 34 veces más pesado que el electrón. Sin embargo, no recibió una gran acogida en la comunidad científica
Durante la última década, la búsqueda de nuevas fuerzas de la Naturaleza se ha incrementado debido a la incapacidad del modelo estándar de la física de partículas para explicar la materia oscura, la sustancia invisible que los científicos creen forma más del 80% de la masa del Universo. Los teóricos han propuesto diversas partículas exóticas, incluidos los «fotones oscuros», por analogía con los fotones convencionales que llevan la fuerza electromagnética.
Los húngaros creen que lo que encontraron es una nueva partícula, un fotón oscuro, que a su vez se desintegra en un par electrón-positrón. Calcularon la masa de la partícula en unos 17 megaelectronvoltios (MeV). El equipo ha repetido sus pruebas varias veces en los últimos tres años, y cree haber eliminado todas las fuentes imaginables de error. Suponiendo que es así, las probabilidades de ver una anomalía tan extrema son de aproximadamente 1 en 200 millones.
Este año, ATOMKI ha corroborado la detección de esta partícula en dicimebre del 2019, pudiendo esta ser responsable (mediadora) de una 5ta fuerza en la naturaleza, no explicada por los modelos conocidos, esta sería una fuerza fundamental con simetría gauge U(1) (lo explicare eso en detalle si no lo comprenden, recuerden que la simetría es la invarianza con respecto a una transformación, en este caso una lorenziana)
III. Explicación en detalle
La señal de ATOMKI de un supuesto fotón oscuro alcanza 7.2 sigmas
En 2016 un experimento de ATOMKI (Hungría) usando berilio observó con 6.8 sigmas una supuesta partícula con una masa de 16.7 MeV/c² bautizada X17 (más de 5 sigmas ya se considera como descubrimiento experimental). En 2018 el experimento NA64 del CERN la buscó, pero no la observó, aunque tampoco logró excluirla con certeza. Ahora un nuevo experimento de ATOMKI usando helio publica en arXiv la observación a 7.2 sigmas de la supuesta partícula X17 con una masa de 16.84 ± 0.16 (est.) ± 0.20 (sist.) MeV y una anchura de desintegración (X17 → e+e−) de 3.9 × 10−5 eV. Un anuncio polémico que dará mucho que hablar hasta que se confirme que es una falsa alarma.
En el primer experimento se excitaban núcleos de berilio-8 y se estudiaba su retorno a su estado fundamental, 8Be∗ → 8Be + X17 → 8Be + e+e−; se observaba un exceso para ángulos entre el electrón y el positrón emitidos alrededor de 140º. En el nuevo experimento se excitan núcleos de helio-4 en su segundo estado excitado y se estudia su retorno a su primer estado excitado, 4He (0−) → 4He (0+) + X17 → 4He (0+) + e+e−; se observa un nuevo exceso para ángulos entre el electrón y el positrón emitidos alrededor de 115º. El ángulo no coincide con el primer experimento, pero el resultado se puede explicar con una partícula de tipo bosón con propiedades similares.
¿Cuál es la naturaleza de la partícula X17? Sus propiedades apuntan a un fotón oscuro (γ’), o a un nuevo bosón vectorial neutro (Z’), ambos regidos por una nueva («quinta») interacción fundamental tipo U(1). El problema es que para evitar que no se haya observado dicha partícula desde hace medio siglo es necesario que sea un bosón protofóbico (su acoplamiento con los quarks arriba y abajo debe ser muy pequeño), lo que implica un ajuste fino. En el experimento NA64 del CERN se está buscando esta partícula y no se ha observado para ajustes poco finos, pero no se descarta uno muy fino. En pocos años se espera que podrá ser descartado también (o bien confirmado con Premio Nobel para los húngaros de ATOMKI).
IV. Descubrimiento original en el año 2016
Primeros indicios de una nueva fuerza fundamental
Físicos húngaros han publicado en Physical Review Letters los primeros indicios de una nueva fuerza fundamental. Mediada por un fotón oscuro (o un bosón protófugo) con una masa de unos 17 MeV/c² se ha observado en las desintegraciones de núcleos de berilio-8. Estos núcleos son producidos mediante colisiones de protones contra núcleos de litio-7 y se desintegran en pares electrón-positrón. La confianza estadística en la medida es de 6,8 sigmas para una partícula de 16,70 ± 0,35 (stat) ± 0,5 (sys) MeV/c².
Por supuesto, debemos ser muy cautos. Más de cinco sigmas es un descubrimiento, siempre que se observe en al menos dos experimentos (o detectores) diferentes. Hasta que el experimento DarkLight observe dicha anomalía, debemos hablar de primeros indicios aún por confirmar. Desde el año 1966 se han observado anomalías en las desintegraciones de los núcleos ligeros que han sido interpretadas como resultado de un fotón oscuro. Hasta ahora dichos indicios no habían alcanzado las cinco sigmas. Sin embargo, debemos ser muy cautos con el nuevo resultado hasta que sea confirmado de forma independiente.
En las colisiones protón contra Li-7 se obtiene un núcleo de Be-8 excitado que se desintegra en el estado fundamental del Be-8 junto a la emisión de par electrón-positrón. Para ángulos de desintegración mayores de 140º se observa un claro exceso que apunta a que junto al Be-8 también se emite una nueva partícula X que también se desintegra en un par electrón-positrón. Dicha partícula debe ser un bosón con masa.
¿Qué nuevo bosón puede explicar el exceso observado? Lo más obvio es un fotón oscuro (dark photon γ’) que daría lugar a una nueva interacción fundamental con simetría gauge U(1). Sin embargo, este fotón debería interaccionar con los quarks y con los protones, algo que no ha sido observado. Por ello, Philip Tanedo y sus colegas opinan que se trata de un bosón protófugo (protophobic X boson), cuyo acoplo a los quarks y los protones es muy débil. Gracias a ello se explica que no haya sido observado. Por supuesto, en los próximos meses se publicarán muchas otras explicaciones.
La clave de la confirmación de la anomalía está en el experimento DarkLight del Laboratorio Jefferson cuya segunda fase buscará fotones oscuros con masas entre 10 y 100 MeV. Se prestará mucha atención a la región alrededor de 17 MeV. Quizás en menos de un año publique sus resultados en esta región. Por otro lado, en el LHC será muy difícil buscar un bosón con una masa tan pequeña.
Por cierto, la colaboración DarkLight pretender buscar señales de un fotón oscuro en colisiones electrón contra protón. Usa el haz de electrones a 100 MeV con una intensidad de 5 mA del Laboratorio Jefferson. La fase I del experimento está tomando datos y debería publicar sus primeros resultados durante el año 2016. Lo más interesante será la fase II que se espera que alcance un inverso de attobarn de colisiones, que se iniciará el año próximo 2017
En resumen, por ahora solo tenemos indicios. Todos deseamos que se confirmen (los fotones oscuros son una predicción de las teorías de gran unificación y de la teoría de cuerdas/teoría M). Pero por ahora debemos ser muy cautos.
I. Descripción general
Yo les he explicado que muchos experimentos que han estudiado la constante cosmológica (tasa de crecimiento del espacio-tiempo a escala cosmológica) el estudio de las anisotropias de la radiación de fondo de microndos, las misiones de los satélites Cobe en 1992, Wmap 2003 y Planck el 2013 han concluido que nuestro universo esta constuido principalmente por una energía de naturaleza aun no determinada llamada energía oscura, la cual es la responsable de la expansión acelerada del universo (modelo Lambda-CDM o ΛCDM en inglés: Lambda-Cold Dark Matter) en un 73%, un 23 % algún tipo de materia constituida con partículas másicas de baja interacción y solo yb 4 % de materia ordinaria, como la que constituye las estrellas, planetas, polvo galáctico y nosotros mismos.
Durante muchos años se ha tratado de entender cual es la naturaleza de ese tipo de "materia escura" que representaría casi la cuarta parte del universo conocido y unas 5 veces más abundante que la materia para la cual la humanidad ha desarrollado 200 años de teoría de partículas, no obstante, hasta la fecha no había sido posible detectar a una partícula que fuera la responsable de esa "falta de masa" que se observa en la rotación de las galaxias, de hecho en un tiempo se creyó que podían esta masa ser atribuida a neutrinos, no obstante las ultimas mediciones de sus oscilación han concluido que no tienen en sus tres familias (electrónico, muónico, y tauónico) la masa suficiente, se postuló que esta diferencia de masa podría ser producto de agujeros negros primordiales, tipo agujeros de gusano (puentes de Einstein-Rose) remanentes del proceso de inflación cósmica, no obstante la ausencia de detección de estos hace poco probable que sean la explicación a esta materia oscura. Los científicos teorizarón que esto puede ser una partícula nueva, que no esta en el modelo estandar.
En el modelo estándar de partículas, tenemos explicado a nivel cuántico 3 de las 4 fuerzas fundamentales, el electromagetismo que afecta a las particulas dotadas de carga eléctrica son mediados por fotones, la fuerza nuclear débil que explica la desintagración radioactiva es mediada por los bosones Z y W y la fuerza nuclear fuerte, que afecta a partículas con carga de color y que permite a los quarks estar confinados en los nucleones, esta mediada por gluones (también estos con carga de color a diferencia de los fotones que no tienen carga eléctrica). La gravedad aun no tiene una explicación a nivel cuántico, ni se ha detectado su partícula bosonica mediadora (el graviton). (posiblemente haga un tema sobre gravedad cuántica y teoría de unificación)
Es decir, para entender el origen de estas particulas hay que buscar física nueva, mas amplia que este modelo, el cual al parecer sirve para explicar solo el 4% del universo, dejando en evidencia el profundo desconocimiento de la humanidad de este.
II. El descubrimiento
En mayo del año 2015 físicos húngaros del Instituto de Investigación Nuclear de la Academia de Ciencias de Hungría en Debrecen, liderado por Attila Krasznahorkay, informó de su sorprendente resultado en el servidor para textos científicos arXiv y el pasado mes de enero del 2016 publicó sus conclusiones en la revista Physical Review Letters. El estudio sugería la existencia de un nuevo bosón ligero, sólo 34 veces más pesado que el electrón. Sin embargo, no recibió una gran acogida en la comunidad científica
Durante la última década, la búsqueda de nuevas fuerzas de la Naturaleza se ha incrementado debido a la incapacidad del modelo estándar de la física de partículas para explicar la materia oscura, la sustancia invisible que los científicos creen forma más del 80% de la masa del Universo. Los teóricos han propuesto diversas partículas exóticas, incluidos los «fotones oscuros», por analogía con los fotones convencionales que llevan la fuerza electromagnética.
Los húngaros creen que lo que encontraron es una nueva partícula, un fotón oscuro, que a su vez se desintegra en un par electrón-positrón. Calcularon la masa de la partícula en unos 17 megaelectronvoltios (MeV). El equipo ha repetido sus pruebas varias veces en los últimos tres años, y cree haber eliminado todas las fuentes imaginables de error. Suponiendo que es así, las probabilidades de ver una anomalía tan extrema son de aproximadamente 1 en 200 millones.
Este año, ATOMKI ha corroborado la detección de esta partícula en dicimebre del 2019, pudiendo esta ser responsable (mediadora) de una 5ta fuerza en la naturaleza, no explicada por los modelos conocidos, esta sería una fuerza fundamental con simetría gauge U(1) (lo explicare eso en detalle si no lo comprenden, recuerden que la simetría es la invarianza con respecto a una transformación, en este caso una lorenziana)
III. Explicación en detalle
La señal de ATOMKI de un supuesto fotón oscuro alcanza 7.2 sigmas
En 2016 un experimento de ATOMKI (Hungría) usando berilio observó con 6.8 sigmas una supuesta partícula con una masa de 16.7 MeV/c² bautizada X17 (más de 5 sigmas ya se considera como descubrimiento experimental). En 2018 el experimento NA64 del CERN la buscó, pero no la observó, aunque tampoco logró excluirla con certeza. Ahora un nuevo experimento de ATOMKI usando helio publica en arXiv la observación a 7.2 sigmas de la supuesta partícula X17 con una masa de 16.84 ± 0.16 (est.) ± 0.20 (sist.) MeV y una anchura de desintegración (X17 → e+e−) de 3.9 × 10−5 eV. Un anuncio polémico que dará mucho que hablar hasta que se confirme que es una falsa alarma.
En el primer experimento se excitaban núcleos de berilio-8 y se estudiaba su retorno a su estado fundamental, 8Be∗ → 8Be + X17 → 8Be + e+e−; se observaba un exceso para ángulos entre el electrón y el positrón emitidos alrededor de 140º. En el nuevo experimento se excitan núcleos de helio-4 en su segundo estado excitado y se estudia su retorno a su primer estado excitado, 4He (0−) → 4He (0+) + X17 → 4He (0+) + e+e−; se observa un nuevo exceso para ángulos entre el electrón y el positrón emitidos alrededor de 115º. El ángulo no coincide con el primer experimento, pero el resultado se puede explicar con una partícula de tipo bosón con propiedades similares.
¿Cuál es la naturaleza de la partícula X17? Sus propiedades apuntan a un fotón oscuro (γ’), o a un nuevo bosón vectorial neutro (Z’), ambos regidos por una nueva («quinta») interacción fundamental tipo U(1). El problema es que para evitar que no se haya observado dicha partícula desde hace medio siglo es necesario que sea un bosón protofóbico (su acoplamiento con los quarks arriba y abajo debe ser muy pequeño), lo que implica un ajuste fino. En el experimento NA64 del CERN se está buscando esta partícula y no se ha observado para ajustes poco finos, pero no se descarta uno muy fino. En pocos años se espera que podrá ser descartado también (o bien confirmado con Premio Nobel para los húngaros de ATOMKI).
IV. Descubrimiento original en el año 2016
Primeros indicios de una nueva fuerza fundamental
Físicos húngaros han publicado en Physical Review Letters los primeros indicios de una nueva fuerza fundamental. Mediada por un fotón oscuro (o un bosón protófugo) con una masa de unos 17 MeV/c² se ha observado en las desintegraciones de núcleos de berilio-8. Estos núcleos son producidos mediante colisiones de protones contra núcleos de litio-7 y se desintegran en pares electrón-positrón. La confianza estadística en la medida es de 6,8 sigmas para una partícula de 16,70 ± 0,35 (stat) ± 0,5 (sys) MeV/c².
Por supuesto, debemos ser muy cautos. Más de cinco sigmas es un descubrimiento, siempre que se observe en al menos dos experimentos (o detectores) diferentes. Hasta que el experimento DarkLight observe dicha anomalía, debemos hablar de primeros indicios aún por confirmar. Desde el año 1966 se han observado anomalías en las desintegraciones de los núcleos ligeros que han sido interpretadas como resultado de un fotón oscuro. Hasta ahora dichos indicios no habían alcanzado las cinco sigmas. Sin embargo, debemos ser muy cautos con el nuevo resultado hasta que sea confirmado de forma independiente.
En las colisiones protón contra Li-7 se obtiene un núcleo de Be-8 excitado que se desintegra en el estado fundamental del Be-8 junto a la emisión de par electrón-positrón. Para ángulos de desintegración mayores de 140º se observa un claro exceso que apunta a que junto al Be-8 también se emite una nueva partícula X que también se desintegra en un par electrón-positrón. Dicha partícula debe ser un bosón con masa.
¿Qué nuevo bosón puede explicar el exceso observado? Lo más obvio es un fotón oscuro (dark photon γ’) que daría lugar a una nueva interacción fundamental con simetría gauge U(1). Sin embargo, este fotón debería interaccionar con los quarks y con los protones, algo que no ha sido observado. Por ello, Philip Tanedo y sus colegas opinan que se trata de un bosón protófugo (protophobic X boson), cuyo acoplo a los quarks y los protones es muy débil. Gracias a ello se explica que no haya sido observado. Por supuesto, en los próximos meses se publicarán muchas otras explicaciones.
La clave de la confirmación de la anomalía está en el experimento DarkLight del Laboratorio Jefferson cuya segunda fase buscará fotones oscuros con masas entre 10 y 100 MeV. Se prestará mucha atención a la región alrededor de 17 MeV. Quizás en menos de un año publique sus resultados en esta región. Por otro lado, en el LHC será muy difícil buscar un bosón con una masa tan pequeña.
Por cierto, la colaboración DarkLight pretender buscar señales de un fotón oscuro en colisiones electrón contra protón. Usa el haz de electrones a 100 MeV con una intensidad de 5 mA del Laboratorio Jefferson. La fase I del experimento está tomando datos y debería publicar sus primeros resultados durante el año 2016. Lo más interesante será la fase II que se espera que alcance un inverso de attobarn de colisiones, que se iniciará el año próximo 2017
En resumen, por ahora solo tenemos indicios. Todos deseamos que se confirmen (los fotones oscuros son una predicción de las teorías de gran unificación y de la teoría de cuerdas/teoría M). Pero por ahora debemos ser muy cautos.
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