miércoles, 23 de mayo de 2012



La verdad de la materia: El misterio de las partículas de Majorana

¿Puede una sola entidad ser materia y antimateria al mismo tiempo? Pues parece que sí.
'La materia es materia y la antimateria es antimateria, y nunca ambos se encontrarán'. Esta línea tiene un halo de aserto poético, y tal vez más que el poema original de Rudyard Kipling sobre el este y el oeste [The Ballad of East and West], después de todo, si la materia y la antimateria se encuentran, su mutua destrucción está asegurada, puesto que se "aniquilan" en un destello de luz.

¿O tal vez no? Casi tan pronto como surgió la antimateria en la escena de hace 80 años, vino acompañada de otra posibilidad: que ciertas partículas, llamadas partículas de Majorana podían ser materia y la antimateria, al mismo tiempo. Demostrando que esto sería algo grande. Podría ayudarnos a precisar la identidad de esa supuesta materia oscura que domina el cosmos, y discriminar entre las mejores teorías candidatas del todo. Incluso podría explicar el misterio más grande de la materia: ¿por qué existe la materia?

Sin embargo, la búsqueda hasta ahora de estas intrigantes y ambiguas entidades no ha dado ningún fruto. Algunos piensan que nos atraviesan por millones cada segundo, pero no pueden probarlo. Otros dicen que una identificación positiva vendrá a través del Gran Colisionador de Hadrones, en el laboratorio de física de partículas del CERN, cerca de Ginebra, Suiza, pero hasta el momento, nada hay.
Avistamiento sólido

Sin embargo, estos híbridos de materia-antimateria, ahora parecen haber sido vistos; pero no en los rayos cósmicos o en los restos de las colisiones de partículas, sino atrapados en las entrañas de un superconductor sólido. ¿Se ha resuelto por fin el misterio de las partículas de Majorana?

Ettore Majorana tenía talento para el enigma. El hábil físico italiano desapareció en algún lugar de la ruta de Palermo a Nápoles, en la primavera de 1938,. Todavía emociona recordar las animadas discusiones. ¿Suicidio? ¿Secuestro? ¿Una artimaña para escapar de los ojos del público?

Las partículas que llevan su nombre, no son menos enigmáticas. Tienen su origen en una modificación, aparentemente inocua, que hizo Majorana de una ecuación derivada del físico teórico británico, Paul Dirac, en 1928. La ecuación de Dirac casa perfectamente con la mecánica cuántica y la relatividad de Einstein al describir cómo se comportan los electrones y, junto con ellos, todos las demás partículas "fermiones", los pilares fundamentales de la materia.

La ecuación de Dirac fue una revelación. Primero se demostró que, los electrones, en un campo magnético actúan en una de dos maneras, distinguidas por los diferentes valores de una propiedad mecánica cuántica llamada espín. Pero estos estados de espín eran sólo dos de las cuatro apariencias posibles para el electrón que la ecuación hacía posible. Las otras dos tenían el mismo aspecto, pero tenían algún tipo de energía "negativa".

Aunque no estaba muy claro lo que esto podría significar. Eso cambió en 1932, cuando el físico estadounidense Carl Anderson, descubrió un electrón curvaba enteramente por un camino equivocado cuando pasaba a través del campo magnético de su detector de rayos cósmicos. Había encontrado positrones: unas partículas como los electrones, pero con la carga eléctrica contraria, positiva. La antimateria acababa de hacer su debut.

La antimateria desde entonces se ha convertido en un elemento básico de la ciencia real y la de ficción, atraída por su hábito de destruirse a sí misma y a la materia cada vez que ambas se encontraban. Alberga grandes misterios: En el Big Bang tuvieron que formarse unas cantidades exactamente iguales de materia y antimateria, por lo que deberían haberse aniquilado. Por qué sobrevivió esa materia que forma las estrellas, los planetas y las personas sigue siendo una de las grandes preguntas existenciales de la cosmología.

En la formulación original de Dirac, sólo las partículas cargadas eléctricamente tenían antipartículas. El ajuste de Majorana produjo también las antipartículas de las partículas sin carga. Indistinguibles por su carga, una partícula y su antipartícula serían absolutamente idénticas. De hecho, sería una partícula que contiene todas las cualidades de ambas simultáneamente.

La idea suena ligeramente absurda, pero se puede probar. "Si una partícula es su propia antipartícula, entonces si están juntas se pueden aniquilar", señala el teórico Frank Wilczek, del Massachusetts Institute of Technology. Las partículas de Majorana se destruyen a sí mismas.

Técnicamente, esto no tiene precedentes. El modelo estándar actual, acerca de la materia predice que, de manera absoluta cada partícula tiene una antipartícula: el fotón sin carga y sin masa, por ejemplo, es su propia antipartícula, y ambos fotones se aniquilan en las raras ocasiones en que interactúan. No obstante, el fotón es un "bosón" transmisor-de-fuerza, pero ver un fermión formador-de-materia destruirse a sí mismo sería algo completamente distinto.

Hasta el momento se nos ha negado el espectáculo. El punto más candente es que los neutrinos puedan ser partículas de Majorana disfrazadas. Estas partículas esquivas y sin masa que pasan a miles de millones cada segundo a través de la Tierra sin interactuar con nada. Sabemos de tres tipos y cada uno parece tener un equivalente antineutrino que participa en las reacciones de la partícula de muy distinta forma. Sin embargo, muchas de las rutas que favorecen una teoría unificada de todas las fuerzas de la naturaleza sugieren que esto no es más que una ilusión. "Los neutrinos y los antineutrinos podrían ser la misma cosa, de lo que sólo vemos sus diferentes estados de movimiento", apunta Wilczek.

El problema es que el carácter tan esquivo de los neutrinos hace casi imposible decirlo de manera concluyente (ver Anexo I). Ahora, sin embargo, después de un inesperado giro de acontecimientos, por fin hemos topado con algo sólido para seguir adelante.

La mitad de un electrón ...

Un superconductor puede parecer un material inverosímil sobre el cual espiar la antimateria. Un positrón tendría, ciertamente, dificultades para sobrevivir entre la miríada de electrones que pululan por cualquier tipo de conductor. Pero si una cosa ha quedado clara desde los primeros días de la física cuántica, es que hay ciertos materiales que albergan su propia versión de anti-electrones: los agujeros.

"Un agujero es la ausencia de un electrón donde lo normal es que lo hubiera", explica Marcel Franz, físico de la Universidad de British Columbia en Vancouver, Canadá. Estos agujeros se mueven libremente a través de ciertos conductores, y llevan una carga positiva igual y opuesta a la del electrón. Comprender cómo funciona un transistor de silicio es imposible sin aceptar la existencia de estos agujeros. Cuando un electrón y un agujero se encuentran, se 'aniquilan', el electrón salta dentro del agujero pero ni el electrón ni el agujero pueden conducir nada.

La espectral existencia de los agujeros sugiere una manera de crear una partícula de Majorana. Comencemos con la mitad de un electrón y la mitad de un agujero, se combinan los dos bits y tenemos un fermión sin carga y, en general, de energía cero. "Este estado sólido de Majorana sería una partícula "nada", comenta Leo Kouwenhoven, de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. "Es un gran cero".

Pero, espera un momento, un electrón es una partícula elemental que no puede separarse, eso es cierto, pero tampoco nos dice nada sobre las cosas extrañas que ocurren en los superconductores. A temperaturas muy bajas, los electrones y los agujeros pierden sus identidades individuales y empiezan a comportarse básicamente como una partícula cuántica más grande, que fluye en conjunto a través del material sin resistencia. "Es un poco como una ola mexicana en un estadio", dice Kouwenhoven. "Se puede describir como un montón de individuos saltando arriba y abajo por separado. O se puede describir como una onda."

La clave de creación de Majorana fue elaborada en 2010. Se trataba de la inducción de superconductividad en un material en el que los electrones tenían muy poco espacio de maniobra, como es un cable unidimensional (Physical Review Letters, vol 105, p 077001 y p 177002). Resulta entonces como si la ola mexicana se viese interrumpida en sus extremos. Las cosas empiezan a desprenderse, y en esos trozos desprendidos podemos hallar un pequeño bit de electrón, un pequeño agujero, y cada bit es una partícula de Majorana. "Teóricamente, no cabe duda de que las partículas de Majorana deberían aparecer en estos montajes bajo las condiciones adecuadas", señaló Franz.

Kouwenhoven y su equipo, ahora han podido atraparlo. Permitiendo que la superconductividad tenga "fugas" de un superconductor en uno vecino, un cable semiconductor restringido a nanoescala, las entidades surgen en los extremos de los nanocables con energía y carga cero. Al aplicarles un campo eléctrico o magnético ni se mueven, que es exactamente el comportamiento que se espera de un "nada" de una partícula híbrida de materia-antimateria (Science, DOI: 10.1126/ science. 1222360). En febrero de este año, David Goldhaber-Gordon y su equipo, de la Universidad de Stanford, California, también anunciaron evidencias de las partículas de Majorana en un entorno de material sutilmente diferente (arxiv.org/abs/1202.2323).

Se necesitan pruebas adicionales para confirmar la naturaleza de estos hallazgos, pero las esperanzas son altas. "La observación de estas partículas en dispositivos en estado sólido podrían demostrar la existencia de estas partículas en la naturaleza", explica Franz, que no participó con los equipos de experimentación. "Mi conjetura es que lo conseguiremos en uno o dos años."

Estas partículas de Majorana manufacturadas son buscadas como bits funcionando en potencia con los super-potentes ordenadores cuánticos (ver Anexo II). Pero existe la sensación de que todavía no han dado con el quid de la cuestión: da la impresión de un enorme felino enjaulado en un zoológico en lugar de estar vagando libremente por la sabana.

Aparte de los que siguen al acecho del neutrino, con la esperanza de observar un comportamiento similar al de Majorana, estos cazadores de partículas del LHC parece tener la mejor oportunidad para cazarlas. El LHC está en la búsqueda del bosón de Higgs, con lo que esperan completar el modelo estándar, y también hay signos de una gran teoría más. El principal candidato es una construcción conocida como Supersimetría, que propone que todas las partículas del modelo estándar tiene un pesada "superpareja" aún sin descubrir. Por cada fermión, hay un super-bosón, y por cada bosón hay un súper-fermión.

Lo real de la materia

Tomemos el bosón de Higgs. Se trata de una partícula sin carga que se piensa que da las demás masas. Pero traer a dos "Higgsinos", sus pares súper-fermiones juntos, y podríamos lograr una demostración espectacular de destrucción de masa: se aniquilarían en un revoltijo de otras partículas. Otras partículas supersimétricas también deberían actuar como partículas Majorana. Dichas partículas son las principales candidatas para las "partículas masivas de interacción débil, o WIMPs", que podrían constituir la materia oscura, esas conjeturadas y enigmáticas tres cuartas partes de la masa del universo que no podemos ver. "Si es así, las partículas de Majorana serían lo más común del universo", resalta Kouwenhoven. La aniquilación constante de estas oscuras partículas Majorana podrían ser responsables del exceso de positrones de alta energía cósmica observado por los detectores.

Hasta ahora, el LHC no ha conseguido ver prueba alguna de nada supersimétrico, por no hablar de algo similar a las partículas de Majorana. Sin embargo, Wilczek, piensa que esto podría cambiar en los próximos años, "no estamos hemos llegado aún, pero estamos cerca", señala.

La determinación de si los neutrinos son partículas de Majorana, por su parte, podría decirnos por qué existe 'algo' en lugar de 'nada'. Si los neutrinos y antineutrinos son partículas distintas, se habrían producido a partes iguales en el Big Bang. En las condiciones de altísima energía de los inicios del universo, cada una de ellas se fue desintegrando por igual en todo tipo de otras partículas y antipartículas. Pero si los neutrinos y antineutrinos son la misma partícula, podría desintegrarse en partículas o antipartículas a voluntad. No hay garantía de que esas desintegraciones hubieran ocurrido en las mismas tasas: la desintegración de las partículas puede haber superado ligeramente la desintegración de antipartículas. "Se necesita sólo una pequeña diferencia, pero sería suficiente para crear el universo tal como lo vemos", declara Silvia Pascoli, físico de partículas de la Universidad de Durham, Reino Unido.

Demostrar este escenario directamente, requeriría un acelerador de partículas que pudiera volver a recrear la increíblemente caliente y densa primera fracción de un segundo del cosmos (una máquina 10 millones de veces más potente que el LHC). Dado que, tal vez deberíamos estar agradecidos por cualquier ojeada que nos pueda ofrecer el súper-enfriado cable de un laboratorio bajo tierra. El misterio de Majorana continúa, pero estamos un paso más cerca de su resolución.


Anexo I - Nada que hacer
¿Podrían ser los neutrinos híbridos de materia-antimateria? Su estado "Majorana" se ha sospechado desde hace mucho tiempo. La prueba definitiva, sin embargo, sólo podría venir al comprobar a los neutrinos aniquilándose entre sí. Pero es bastante difícil conseguir que los neutrinos interactúan con los detectores y de esta forma medir sus propiedades. Conseguir que dos neutrinos interactúen entre sí en condiciones terrenales sería cuadrar el problema.

Una solución podría ser la de observar un proceso radioactivo conocido como doble desintegración beta sin neutrino. La desentegración beta convencional implica la emisión de un antineutrino, pero unos cuantos núcleos sometidos a dos desintegraciones sucesivas, producen dos antineutrinos. Si el neutrino es su propia antipartícula —por lo que el antineutrino es un neutrino con distinto nombre—, entonces estos antineutrinos se encuentran y aniquilan en la emisión, dando lugar a un producto sin neutrinos. "Es una manera muy torpe para investigar la cuestión de Majorana, pero es a lo mejor que hemos llegado", comenta Frank Wilczek, delMassachusetts Institute of Technology.

Es también bastante incómodo, de un trabajo paciente: la desintegración sin neutrinos se espera que suceda en cualquier átomo susceptible sólo de vez cada 1025 años. En 2001, un grupo de físicos alemanes y rusos, sugirieron que habían visto unos pocos casos de este proceso, después de observar desintegraciones de germanio-76 durante más de 10 años (Modern Physiscs Letters A, vol 16, p 2409), aunque sigue siendo un resultado debatido.

La colaboración Majorana tiene ahora el objetivo de romper este estancamiento. La participación de más de 100 físicos de cuatro países, pretenden mantener su vigilancia sobre una tonelada o más de germanio, un prototipo de 40 kilogramos, el Demostrador de Majorana, que se está construyendo en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México (arxiv. org/abs/1109.4790).
Anexo II - Lógica difusa
No se trata sólo de testear los principios básicos de la materia y la antimateria lo que motiva a los investigadores a perseguir a las partículas de Majorana. "Los estados Majorana se persiguen con vehemencia, ya que permitirían algo que se llama computación cuántica topológica", aduce Laurens Molenkamp, de la Universidad de Würzburg en Alemania.

Los físicos han soñado durante mucho tiempo poder codificar la información de los estados cuánticos de las partículas, por ejemplo, en la dirección de su "spin" mecánico-cuántico. La borrosa lógica de la teoría cuántica implica que las partículas pueden existir en múltiples estados a la vez, y eso significa un beneficio beneficio de cálculo para los ordenadores. Pero hay un enorme obstáculo por superar: los estados cuánticos son extraordinariamente delicados, derribándose a la menor alteración de su medio ambiente.

No así los bits de Majorana. Una consecuencia de la forma en que se plantean en los superconductores (ver historia principal) es que siempre vienen en pares que, aun separados espacialmente, codifican la misma información. Esto le ofrece mayor robustez gracias a la redundancia: si uno de los dos pares obtiene la información limpia, el otro también lo tiene.

No sirve de mucho si, tan pronto como se encuentren ambos bits, se deshagan uno al otro. Pero la belleza de las partículas de Majorana es que no tienen que interactuar para que puedan ser usados en la informática. Podemos cambiar el estado cuántico de un par Majorana al unísono con sólo moverlo alrededor del otro. Guiando estos movimientos sinuosos de una forma pre-determinada, se  puede, efectivamente, ejecutar toda una serie de pasos de computación: un algoritmo.

Si los avistamientos recientes se confirman, marcharían a toda velocidad con los intentos de aprovechar este tipo de cálculos numéricos "topológicos". "Hace cinco años esto era pura fantasía", señala el teórico Frank Wilczek. "Las ideas teóricas han ido muy por delante, pero ahora los experimentos se están poniendo al día, y esto es realmente emocionante".


- Referencia: NewScientist.com, 14 mayo 2012 por Michael Brooks y Richard Webb
- Imagen 1) ilustración neutrinos. Imagen 2) PA-98-0335. Aerial Administration Building, TA-3, Building SM-43. Crédito: Los Alamos National Laboratory (http://www.lanl.gov/news/photos/aerials.shtml).

.Fuente: BITNavegantes

7 comentarios:

Reinhardt dijo...

Encuentro poco lógico e improbable la existencia de una partícula que sea su propia antipartícula. Si se trata de un fermión,el sólo hecho de tener masa lo imposibilita de ser su propia antipartícula, una misma partícula no puede ser un operador de creación y de aniquilación a la vez, o es uno, o es el otro, de lo contrario se estaría violando el Principio de Exclusión de Pauli. Si se trata de un bosón, tampoco, pues al ser un vector de transferencia de fuerza de partículas, no puede, la misma partícula (aunque no tenga masa)tener un ímpetu o inercia positivo y negativo a la vez, pues estaría violando el Principio de Conservación, al generar como resultado un momento cero; es decir, por ejemplo un fotón que sea su propio antifotón, no tendría movimiento, ya que sus espines se anularían mutuamente.

MSc. Jorge Poveda dijo...

En puridad teorica te asiste la raszon.Justo por eso la propuesta de Majorana es una presuncion que podria darse en condiciones fisicas excepcionales.Justo para ello se ha propuesto : The MAJORANA Collaboration (Submitted on 22 Sep 2011) research and development aimed at a tonne-scale 76Ge neutrinoless double-beta decay) experiment. The current, primary focus is the construction of the MAJORANA DEMONSTRATOR experiment, an R&D effort that will field approximately 40kg of germanium detectors with mixed enrichment levels. This article provides a status update on the construction of the DEMONSTRATOR.
Comments: 5 pages. Conference Proceedings for MEDEX 2011
Subjects: Nuclear Experiment (nucl-ex)
Report number: MEDEX 2011
Cite as: arXiv:1109.4790v1 [nucl-ex]

MSc. Jorge Poveda dijo...

El articulo se puede bajar gratuitamente usando el enlace : arXiv:1109.4790v1 [nucl-ex]

MSc. Jorge Poveda dijo...

Jacques Chauveheid me escribe:
- El problema, como siempre, es la falta de definiciones rigurosas. Una anti-partícula se define, y siempre lo leí así, como otra partícula masiva y de masa idéntica, pero con carga eléctrica opuesta, nada más. Así, la anti-materia no tiene nada de "anti" porque es materia masiva usual. Pero cuando un electrón (carga elec. negativa) encuentra un positrón (carga elec. positiva), ambos se aniquilan produciendo energía en forma de un par de fotones (conservación del momentum y de la masa-energía). Es claro que la materia usual y la "anti" perfectamente pueden coexistir si no se encuentran, pero Franklin Chang no la detectó en el espacio, según lo que leí.

- Sobre los operadores de creación y aniquilación de partículas, son una representación del potencial-vector del campo electromagnético Ak (4 componentes te puedo enviar la descomposición luego) y no tienen que ver con partículas, excepto las que crean y destruyen. Fueron creados por Dirac en 1927, quien luego estuvo totalmente en contra de la QED (electrodinámica cuántica) que de hecho creó con esto, pero no ví si el criticó, o no, estos operadores de creación y aniquilación. Es una discusión larga en la cual no puedo entrar, lo seguro es que se trata de problemas no resueltos.

MSc. Jorge Poveda dijo...

Jacques Chauveheid explica:
El gran problema de operadores de creación y aniquilación fue que se derivaron del 4-potencial A e-m (descomposición de Fourier).
Luego, QED se desarrolló con sustituirle el campo cuántico Fi de Schrodinger, o de Dirac (spinor), esto en base de comparación con la onda del fotón (muy débil). En realidad, creo hay que sustituirle a A , otro A generalizado que así contenga todos los otros potenciales de interacciones, nucleares y otros incluidos (excepto la gravitación que no entra en estos Lagrangianos).
Llegué a esto en mi 1er artículo pero no sé como usarlo en una QED digamos netamente mejorada (??), Sólo los especialistas saben como, y son artistas en esto, además no hay garantía que funcioné pero se debe probar todo.
De todas maneras, QED y sus extensiones de hoy son un desastre, que no llega a nada y bloquea el desarrollo teórico de nuevas energías, etc.. (Dirac literalmente vomitó QED).

De paso: Jorge tiene copia de un libro excepcional de Abraham Pais, el único que sirve, literario y físico-matemático a la vez (+ de 650 páginas) cubriendo todo sobre partículas de 1895 hasta 1983. Como no lo ocupa, pienso que te lo prestará; está en una caja.

Reinhardt dijo...

En el sentido cuántico, el cual admito se sale un poco de mi comprensión; existen unidades cuánticas para las interacciones fundamentales como el magnetismo; por ejemplo se sabe que para la carga, la unidad no representa el cuanto fundamental, ya que existen cargas parciales menores a la unidad, podría darse una situación parecida con el espín magnético (un espín diferente a un múltiplo de 1/2); existe un cuanto de gravedad o de espacio-tiempo. Matemáticamente todo campo debe integrarse a partir de un diferencial que representa el límite del mínimo posible para la continuidad entre dos puntos o dos estados.

MSc. Jorge Poveda dijo...

Jacques Explica:

Estimado Reinhardt,

Lo que encontré ± claro en Internet sobre teorías modernas es:

http://superstringtheory.com/experm/exper2a.html

http://www-com.physik.hu-berlin.de/~fjeger/QCD-lectures.pdf

pero sería para otra ocasión (falta de tiempo).

1) Tienes que ser específico y citar la carga eléctrica, el spin, la masa y el tiempo de vida, el nombre de la(s) partículas altamente inestable(s) (mala noticia ?), también su grupo - p. e. si son Hiperones o de otro grupo, la exactitud siendo sinónima de precisión; en caso contrario cualquier texto tiene significado parcial, o nulo, lo que evidentemente no es la meta. Si una carga eléctrica es fraccionaria, tiene que explicarse con las cargas de los quarks que son 2/3 y -1/3, es decir (2/3, 2/3, -1/3) en el protón. En el neutrón, (2/3, -1/3, -1/3).

2) El problema con las referencias arriba es que solamente explican las teorías con lo que les funciona bien, pero parecen limitarse a tales resultados positivos (?), que nunca desprecio. Así, podrías examinar cuales núcleos atómicos tienen el spin (absoluto) entero 0, 1, 2, 3... (de Bose-Einstein), o fraccionario 1/2, 3/2, ... (de Fermi-Dirac), muestro aquí que es únicamente un problema de física nuclear.

- Los números enteros 0, 1, 2,... son de bosones individuales obedeciendo a la estadística de Bose-Einstein (indiscernibles), parece imposible encontrar el cálculo del spin resultante, por no decir total, de dos bosones . Sería así porque los electrones, protones y neutrones son fermiones de spin medio entero, es decir siempre de 1/2 c/u, por definición observable individualmente con los dos valores opuestos -1/2 y +1/2 (que sea de Pauli o de Dirac, no existe otro spin que 1/2 con las tres matrices 2x2 de Pauli).

- El spin total, en realidad resultante, sale entero en el caso de dos electrones (también de un núcleo formado de un protón con un neutrón), el spin resultante siendo -1, 0 , 1. Sólo Liboff (?), amigo de Prigogine, parece haberlo calculado en Quantum Mechanics (1980, Holden-Day, p. 478), lo que no ví de parte de los rusos tal vez porque de 1967-68. Tal par ligado de partículas forma entonces un bosón que es un compuesto elemental de dos fermiones pero con spin resultante entero 1, es decir observable con los tres valores -1. 0, +1 según la teoría correcta de los momentos cinéticos (de rotación).

c) Los electrones en átomos nunca forman un conjunto físico (ligado), pero si un neutrón y un protón en el deuterio, Se ve así que la suma de de dos spins es un asunto de física nuclear, no de física atómica.

En cuanto a unidad de gravedad, las famosas "unidades" de Planck, el spin de fotones (muy importante ahora), y entonces las teorías en los dos links arriba de Internet, hablemos luego.

Cordialmente, Jacques