repensando el neutrino.

La colaboración Daya Bay, en China ha descubierto una oscilación de neutrinos inesperadamente grande.

fig 1, impresión artística del interior de uno de los 6 detectores de antineutrinos del experimento Daya Bay.Crédito.Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory.

Para algunos, este puede ser el año del dragón, pero en la física de neutrinos este es el año de θ₁₃. Sólo hace un año, este supuesto "pequeño" ángulo de mezcla, el cual describe cómo los neutrinos oscilan desde un estado de masa a otro, era indetectado, pero en los últimos doce meses se ha registrado una oleada de resultados desde experimentos en Asia y Europa, la cual culminó con el resultado de la colaboración Daya Bay, el cual está siendo reportado en Physical Review Letters, que muestra que θ13 no es pequeño después de todo [ ver aquí]. Un ángulo de mezcla no tan pequeño nos obliga a repensar la teoría, pidiendo nuevas explicaciones de por qué los quarks y los leptones son tan diferentes. También abre la puerta a nuevos experimentos, lo que podría permitir el descubrimiento de la violación CP -una diferencia entre los neutrinos y antineutrinos que puede estar relacionada con la asimetría de la materia en los inicios del universo. Las oscilaciones de los neutrinos son una idea simple que se puede obtener en cualquier clase de nivel intermedio de mecánica cuántica. En la interacción débil, los neutrinos se producen y se detectan en sabores" o autoestados ; el electrón (νe) ,el muón (νμ) y el tau (ντ). Sin embargo, el hamiltoniano depende de la energía, que a su vez depende de la masa. En un sencillo modelo de dos neutrinos, con sólo los sabores del muón y el electrón, los autoestados de masa (ν1 y ν2) se pueden rotar con respecto a los autoestados de sabor,


                
                        νe                          cosθ        -sinθ                    ν1                                           (1)        
          (   νμ    )=(   sinθ         cosθ     )( ν2    )   



 La mezcla entre los sabores y los estados de masas suena extraño, pero los quarks lo hacen. ¿Por qué no deberían los neutrinos hacerlo también? Un resultado de esta mezcla es que el neutrino nacido a través de la interacción débil en un estado de sabor evolucionará con el tiempo para tener cierta probabilidad de interactuar como los otros sabores. La probabilidad de esta oscilación es igual a sin²2θsin²(1.27Δm²L/E), En las unidades (verdaderamente extrañas, pero útiles) de L (en metros, m), E (en mega-electrón-voltios, Mev), y Δm²=m₂²-m₁² (en ev²). Esta fórmula depende de dos parámetros fundamentales: el ángulo de mezcla, θ , que establece la amplitud de la probabilidad de la oscilación, y la diferencia de la masa al cuadrado Δm², que afecta a la longitud de onda de la oscilación. También depende de dos parámetros experimentales: L, la distancia que los neutrinos han viajado desde la fuente al detector, y E, la energía del neutrino.Si bien la ecuación. (1) es una imágen simplificada de dos neutrinos, la expansión a los tres sabores conocidos, νe, νμ, y , ντ sigue una línea similar de pensamiento, en este caso la matrix de rotación de 2 dimensiones con un ángulo, θ, se convierte en una matriz tridimensional con tres ángulos de Euler: θ₁₂, θ₂₃ y θ₁₃ . La historia de las mediciones de las oscilaciones de neutrinos se inicia con un artículo de Raymond Davis en la búsqueda de neutrinos solares que apareció en Physical Review Letters en 1964 [ ver aquí ] (también un año del dragón!). Pero a pesar del descubrimiento posterior de Davis de una firma muy obvia, tomó mucho tiempo para que los físicos comprendieran e interpretaran correctamente los datos como un problema con la física de partículas subyacentes. En el modelo estándar, los neutrinos no tienen masa. Este supuesto es necesario para explicar la violación de la paridad, un 100 % de asimetría en la dependencia del spin de la desintegración beta. Pero si los neutrinos tienen masa cero, implica Δm²=0 y la probabilidad de oscilación tiende a cero, por lo que las oscilaciones no pueden ocurrir. El modelo estándar era tan exitoso en todos los demás aspectos de la física de partículas que costó años y seguimiento de muchos experimentos cuidadosos para que los físicos aceptaran la realidad experimental: los neutrinos tienen masa y por ello oscilan. Como hemos seguido estudiando las oscilaciones, hemos aprendido que los neutrinos no son como las otras partículas de muchas maneras. Por un lado, las divisiones de masa son muy pequeñas comparadas con las de sus compañeras partículas cargadas. Por otra parte, dos de los ángulos de mezclas de "Euler", θ₁₂ y θ₂₃ son muy grandes, exactamente lo contrario de la matriz de mezcla que se ve en los quarks. Sin embargo,el último ángulo de mezcla, θ₁₃, permaneció difícil de alcanzar, a pesar de una búsqueda específica por dos experimentos: Palo Verde, en Arizona, [ ver aquí ], y Chooz, en Francia [ ver aquí ]. Mucha gente supuso que el θ₁₃ era muy pequeño, en parte inspirados por la fenomenología de la llamada mezcla tri-bi-máxima [ ver aquí ]. En su forma más pura, esta idea, presentada en el 2002 para explicar el patrón de ángulos de mezcla, requiere θ₁₃=0. Varias otras teorías dieron predicciones del orden de magnitud de 1x10^-3 a 1x10^-2. Los experimentadores reaccionaron trás diseñar para pequeños valores de sen² 2θ₁₃  .La presente generación de experimentos fueron diseñados para alcanzar sen² 2θ₁₃=0.01, pero la fábrica de neutrinos -de-nuestros- sueños podría potencialmente alcanzar 1x10^-4. De repente, esta visión ha cambiado. Los primeros desafíos a las expectativas han venido de aceleradores basados en experimentos de la "Aparición", que buscan la interacción de un nuevo sabor ( νe) en un mar de interacciones del sabor original ( νμ). Si bien esto suena como la búsqueda de una aguja en un pajar, en unos experimento bien diseñado, como el T2K en Japón (ver aquí y aquí ) y el Minos [ ver aquí ] en el Fermilab en Illinois, la aguja sobresalió. Sin embargo, estos experimentos tenían bajas estadísticas y resultados confusos. Los errores eran relativamente grandes y los resultados seguían siendo consistentes con θ₁₃=0. Sin embargo, los valores centrales no eran muy pequeños (ver fig. 2)-un primer indicio de que θ₁₃ iba a ser mayor de lo esperado.

fig 2,valores medidos de sen² 2θ₁₃     .Varias colaboraciones experimentales alrededor del mundo han medido el ángulo de mezcla θ13 el cual describe la probabilidad que un electrón neutrino oscilará desde un estado de masa a otro y encuentran que el es mucho más grande de lo esperado.La gráfica Gausiana normalizada mostrada  está centrada sobre las mediciones de sen² 2θ₁₃ donde el ancho de las curvas indica la incertidumbre de la medición.Crédito.APS/Carin Cain.

Los experimentos de Aparición son problemáticos porque, en el caso de tres neutrinos, ellos son sensibles a parámetros desconocidos más allá de θ₁₃, incluyendo el orden de los estados de masa (llamada "la jerarquía de masas") y los parámetros de la -Violación CP. Por otro lado, los experimentos de desaparición tienen una más simple fórmula de oscilación, que se reduce a P_disapp= 1-sin²2θsin²(1.27Δm²L/E). El Daya Bay, que se encuentra en China, es un ejemplo de la nueva generación de experimentos de desaparición. Este experimento se aloja en uno de los nuevos ultrapotentes complejos de reactores del mundo. Los reactores son fuentes abundantes de los neutrinos antielectrón ( ν^-_e), de forma gratuita! La idea es la búsqueda de la desaparición de antineutrinos como una función de la distancia, por lo que los experimentos tienen detectores múltiples. Daya Bay utiliza seis (fig. 1). Estos pueden ser colocados a distancias variables ( L) desde la fuente del reactor para trazar la onda de oscilación. Los antineutrinos interactúan con protones libres en el aceite centelleador del detector a través de una "desintegración beta inversa" proceso que produce un "positrón y un neutrón : ν^-_e + p→e⁺ + n
. Esta interacción tiene una sección eficaz conocida en alta precisión; la energía del antineutrino puede ser totalmente reconstruida, y el positrón seguido por una subsecuente captura del neutrón produce una señal coincidente que separa la señal de fondo. El desarrollo de un centelleador de gadolinio dopado de largo tiempo de vida fué un avance crucial en la detección de θ₁₃, Ya que esto mejora el tiempo de captura de neutrones por más de un orden de magnitud. De hecho, el primer reactor experimental en presentar un resultado fué doble Chooz, en Francia [ ver aquí ]. El valor central fue de nuevo relativamente grande (Fig. 2), y en ese punto, se comenzó a hundir : θ₁₃ debe ser grande. En un lapso de cinco meses, el experimento de doble Chooz fué seguido por el resultado de Daya Bay sen² 2θ₁₃= 0.092±0.016 (stat)±0.005 (syst) (ver aquí).En la física de partículas, una significación estadística de 5 sigma es necesaria para reclamar un descubrimiento, y la medición de Daya Bay fue concluyente: de que θ₁₃ es distinto de cero. El valor central de su medición era grande y en excelente acuerdo con Double Chooz. Caliente en los talones de Daya Bay fue el resultado del experimento RENO [ver aquí ] en Corea, que una vez más está de acuerdo con sen² 2θ₁₃~ 0.1. ¿Qué significa un θ₁₃ grande? Esto significa que la comunidad neutrino está repentinamente ocupada en la organización de talleres para repensar los próximos pasos. Con un valor bien medido de θ₁₃ podemos seguir la jerarquía de la masa y los parámetros de la Violación CP en los experimentos de aparición que habrán de venir pronto. Vamos a ver si las mediciones de estos nuevos parámetros también desafían las expectativas. En un año, hemos pasado de no saber nada, a tener una visión completa de este ángulo de mezcla. Nos apareció el dragón θ₁₃, y rugió!.




 artículo de la físico Janet Conrad para Physics.aps.





 fuente de la información: http://physics.aps.org/articles/v5/47

núcleo emite dineutrones.

Un núcleo rico en neutrones puede emitir un par de neutrones como una sola unidad como un producto de la desintegración nuclear.

en el National Superconducting Cyclotron Laboratory la colisión entre un haz y un blanco (en naranja)genera berilio-16 el cual inmediatamente se desintegra por emisión de dineutrones.El resultante berilio-14 es desviado por un imán (rojo) hacia un adecuado detector(marrón)mientras el par de neutrones es medido en el MoNA(Modular Neutron Array) en (verde).Crédito.T. Baumann/Michigan State Univ.

Un núcleo de solo neutrones se considera físicamente imposible, pero los investigadores han visto una pareja de neutrones de corta duración como producto de la desintegración nuclear. El llamado dineutrón había sido indirectamente observado en el interior de núcleos ricos en neutrones, pero la nueva evidencia experimental publicada en Physical Review Letters (ver aquí) confirma que los pares de neutrones pueden existir fuera del núcleo, aunque por un tiempo muy corto. La investigación adicional del dineutrón podría dar una idea de la física nuclear de las estrellas de neutrones y las supernovas.
Las fuerzas que mantienen juntos a los protones y neutrones en un núcleo no se entienden completamente. Formas exóticas de la materia, tales como dineutrones y diprotones,ofrecen a los investigadores la posibilidad de llevar sus modelos a los extremos y ver lo bien que se sostienen. Ambos dineutrones y diprotones son casi estable, por lo que los investigadores han buscado breves apariciones de estos pares de partículas en las reacciones nucleares durante varias décadas.La mayoría de estas búsquedas han buscado diprotones debido a que los núcleos ricos en neutrones son más difíciles de hacer, y los neutrones son más difíciles de detectar. Los resultados han sido ambiguos, en parte debido a que la carga eléctrica sobre el protón complica el análisis de datos.
Experimentos recientes con los isótopos ricos en neutrones helio-6 y helio-8 han dado indicios de que los neutrones de "valencia" que orbitan la parte exterior del corazón central del núcleo se aparean como un dineutrón [ ver aquí ]. Sin embargo, la generación de dineutrones como productos de la desintegración fuera de un núcleo sería una manera mucho más directa para su estudio. Los investigadores han buscado dineutrones en las desintegraciones de dos neutrones de núcleos ricos en neutrones, como el hidrógeno-5 y helio-10 Pero estos núcleos generalmente generan sucesivas desintegraciones de un neutrón seguido por otro, en lugar de un par combinado.
"Por lo general, si un núcleo puede emitir un solo neutrón, entonces, sólo hará eso", explica Artemis Spyrou de la Universidad Estatal de Michigan (MSU) en East Lansing. Ella y sus colegas han resuelto este problema mediante la identificación de un núcleo, el berilio-16, En el cual la desintegración de dos neutrones se favorece. La desintegración de un solo neutron es poco probable debido a que el núcleo resultante, el berilio- 15, Es aún más inestable que el berilio-16 con respecto a la emisión de neutrones.
No hay un camino directo para generar berilio- 16 desde cualquier núcleo estable, por lo que el equipo optó por un núcleo inestable, boro- 17, Que podría actuar como una intermediaria "piedra angular". Trabajando en el National Superconducting Cyclotron Laboratory en la MSU, ellos aislaron el boro- 17 de otros productos que resultan de las colisiones entre un haz de neón de alta energía y un blanco de berilio-9. Se dirige entonces este haz secundario de boro a otro blanco de berilio-9 . Las colisiones resultantes ocasionalmente golpean un protón fuera de un núcleo de boro, produciéndo berilio- 16 ricos en neutrones .
El berilio- 16 se desintegra en aproximadamente 10^-21 segundos en el berilio- 14 y dos neutrones, y los tres productos de desintegración tuvieron que ser medidos. La detección y la identificación de berilio- 14 no era difícil, pero identificar los dos neutrones era más difícil, porque los neutrones simples ocasionalmente generaban dos destellos en la matriz de detectores. Para asegurarse de que estaban viendo dos neutrones, el equipo de Spyrou rechazó cualquier par de flashes que se produjeran con una separación menor a 50 centímetros uno del otro.
Para los eventos seleccionados, los investigadores midieron las energías y los ángulos de dispersión para el berilio- 14 y los dos neutrones. Los investigadores compararon los datos con simulaciones por ordenador para tres escenarios posibles. El primero fué dos consecutivos neutrones simples desintegrándose. El segundo era tres cuerpos desintegrándose, en la que los dos neutrones se emiten al mismo tiempo, pero sin ninguna correlación espacial entre sí. El escenario final involucró a dos neutrones agrupados juntos como un dineutrón, el cual se desintegra en unos 10^-22 segundos. El que mejor correspondía con los datos fué el modelo de la desintegración del dineutrón.
"Este es un experimento realmente bueno", dice Bertram Blank del Centro de Estudios Nucleares de Burdeos-Gradignan (CENBG), Francia. Él cree que el dineutrón es una forma práctica de describir los datos, pero el estado real de los neutrones puede ser más complejo. Witold Nazarewicz de la Universidad de Tennessee en Knoxville cree que este es un hallazgo experimental importante, ya que es compatible con otro trabajo que sugiere que la pareja de neutrones se asemeja a la forma en que los electrones forman pareja en los superconductores. A medida que más datos se recogan sobre los dineutrones, Nazarewicz espera que se pueda ganar visión dentro de otros cuerpos ricos en neutrones, tales como las estrellas de neutrones y los flujos ricos en neutrones de las supernovas, donde se sintetizan los núcleos pesados.




fuente de la información:




http://physics.aps.org/articles/v5/30

físicos eliminan el tiempo como cuarta dimensión del espacio.

Los filósofos han debatido la naturaleza del tiempo mucho antes que Einstein y la física moderna. Sin embargo, en los 106 años transcurridos desde Einstein, la opinión predominante en la física ha sido de que el tiempo sirve como la cuarta dimensión del espacio, un espacio representado matemáticamente como el espacio-tiempo 4D de Minkowski. Sin embargo, algunos científicos, entre ellos Amrit Sorli y Fiscaletti Davide, fundadores del Space Life Institute en Eslovenia, argumentan que el tiempo existe completamente independiente del espacio. En un nuevo estudio, Sorli y Fiscaletti han demostrado que los dos fenómenos de la relatividad especial - la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud - pueden ser mejor descrito en el marco de un espacio 3D con el tiempo como la cantidad utilizada para medir el cambio (es decir,el movimiento de los fotones) en el espacio.

Los científicos han publicado su artículo en una edición reciente de Physics Essays (ver aquí) . El trabajo se basa en sus artículos anteriores (ver aquí y aquí) , en los que han investigado la definición del tiempo como un "orden numérico de un cambio material".
Los principales conceptos de la relatividad especial -que la velocidad de la luz es la misma en todos los sistemas de referencia inerciales, y que no hay un marco de referencia absoluto - son tradicionalmente formulados en el marco del espacio-tiempo de Minkowski. En este marco, las tres dimensiones espaciales son intuitivamente visualizadas, mientras que la dimensión del tiempo es matemáticamente representada por una coordenada imaginaria, y no se puede visualizar de una manera concreta.
En su artículo, Sorli y Fiscaletti argumentan que, si bien los conceptos de la relatividad especial son firmes, la introducción del espacio-tiempo 4D de Minkowski ha creado un malentendido durante un siglo acerca del tiempo como la cuarta dimensión del espacio lo cual carece de cualquier apoyo experimental. Afirman que los experimentos sobre la conocida dilatación de tiempo , tales como aquellos que demuestran que los relojes de hecho funcionan más lento en aviones de alta velocidad que en reposo, apoyan la relatividad especial y la dilatación del tiempo pero no necesariamente el espacio-tiempo de Minkowski o la contracción de longitud. De acuerdo con el punto de vista convencional, los relojes funcionan más lentamente a altas velocidades debido a la naturaleza en si misma del espacio-tiempo de Minkowski como un resultado de la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud . Pero Sorli y Fiscaletti argumentan que la lentitud de los relojes puede ser mejor descrita por la velocidad relativa entre los dos marcos de referencia, la cual los relojes miden,y no cual de los relojes se aleja. En este punto de vista, el espacio y el tiempo son dos entidades separadas.
"Con los relojes nosotros medimos el orden numérico del movimiento en el espacio 3D ", dijo Sorli . "El tiempo está separado del espacio en un sentido que el tiempo no es una cuarta dimensión del espacio. En su lugar, el tiempo como un orden numérico de cambio existe en un espacio 3D. Nuestro modelo del espacio y el tiempo se basa en la medición y corresponde mejor a la realidad física. "

Para ilustrar la diferencia entre los dos puntos de vista del tiempo, Sorli y Fiscaletti consideran un experimento con dos relojes de luz. Cada mecanismo de tictac de los relojes se compone de un fotón que se refleja hacia atrás y adelante entre dos espejos, de modo que la trayectoria de un fotón de un espejo al otro representa un tic-tac del reloj. Los relojes están dispuestos perpendiculares entre sí sobre una plataforma, con el reloj A, orientado horizontalmente y el reloj B verticalmente. Cuando la plataforma se mueve horizontalmente a una velocidad alta, entonces de acuerdo con el fenómeno de la contracción de la longitud en un espacio-tiempo 4D el reloj A debería encogerse de modo que su fotón tiene una ruta más corta para viajar, haciendo que marque más rápido que el reloj B.

la imágen muestra la disposición de los relojes de luz A y B moviéndose horizontalmente a través del espacio.De acuerdo a la contracción de longitud el reloj A debería marcar más rápido que el reloj B.En un nuevo estudio los científicos argumentan que no hay contracción de longitud y ambos relojes deberían marcar a la misma velocidad en corcondancia con la relatividad especial.Crédito.Sorli and Fiscaletti.

Sin embargo, Sorli y Fiscaletti argumentan que la contracción de la longitud del reloj A y la subsecuente diferencia en el tictac de los relojes A y B no está de acuerdo con la relatividad especial, la cual postula que la velocidad de la luz es constante en todos los sistemas de referencia inerciales.Ellos dicen que, manteniendo la velocidad del fotón la misma para ambos relojes, los relojes deberían marcar en la misma proporción, sin la contracción de la longitud del reloj A. Ellos matemáticamente demuestran cómo resolver el problema de esta manera mediante la sustitución del espacio-tiempo 4D de Minkowski con un espacio 3D implicando las transformaciones de Galileo para tres coordenadas espaciales X, Y y Z, y una ecuación matemática (formalismo de Selleri ) para la transformación de la velocidad de cambio material, la cual es completamente independiente de las coordenadas espaciales.
Sorli explicó que la idea de que los dos relojes de fotones marquen en la misma proporción no está en desacuerdo con los experimentos con relojes voladores y otras pruebas que han medido la dilatación del tiempo.Esta diferencia, dice, es debido a la diferencias entre los relojes de fotones y los relojes basados en átomos.
"La tasa de los relojes de fotones en más rápidos sistemas inerciales no se ralentizará con respecto a los relojes de fotones en un sistema inercial en reposo, porque la velocidad de la luz es constante en todos los sistemas inerciales", dijo. "La tasa de los relojes atómicos se ralentizará debido a la" relatividad "de los fenómenos físicos que se inician en la escala de los mesones pi ".
También explicó que, sin contracción de la longitud, la dilatación del tiempo existe, pero de una manera diferente a lo que usualmente se cree.
"La dilatación del tiempo no existe en el sentido de que el tiempo como una cuarta dimensión del espacio se dilata y como consecuencia la velocidad de reloj es más lento," explicó. "La dilatación del tiempo significa simplemente que, en un más rápido sistema inercial, la velocidad de cambio se ralentiza y esto es válido para todos los observadores.Los GPS confirman que los relojes en estaciones orbitales tienen diferentes tasas de los relojes de la superficie del planeta, y esta diferencia es válida para los observadores que están en la estación en órbita y en la superficie del planeta. Así interpretado,la "dilatación del tiempo" no requiere de la"contracción de la longitud", lo cual como mostramos en nuestro artículo lleva a una contradicción para los relojes de luz en diferente posición en un sistema inercial en movimiento. "
Agregó que la definición alternativa del tiempo también está de acuerdo con la noción del tiempo en poder del matemático y filósofo Kurt Gödel .
"La definición del tiempo como un orden numérico de los cambios en el espacio es la sustitución del concepto que ya dura 106 años del tiempo como una dimensión física en la que se ejecuta el cambio", dijo Sorli. "Consideramos que el tiempo es sólo una cantidad matemática de los cambios que medimos con los relojes. Esto está de acuerdo con la visión de Gödel del tiempo. En 1949, Gödel había producido una prueba notable: ". En cualquier universo descrito por la teoría de la relatividad, el tiempo no puede existir"Nuestra investigación confirma la visión de Gödel: el tiempo no es una dimensión física del espacio a través del cual se podría viajar al pasado o al futuro ".
En el futuro, Sorli y Fiscaletti planean investigar cómo este punto de vista del tiempo se ajusta con el entorno más amplio. Señalan que otros investigadores han investigado la abolición de la idea del espacio-tiempo, en favor de unas entidades del espacio y tiempo separadas , pero a menudo sugieren que esta perspectiva está más elaborada en el marco de un éter, un medio físico que permea todo el espacio. Por el contrario, Sorli y Fiscaletti creen que la idea puede ser mejor modelada en el marco de un vacío cuántico 3D. En lugar de considerar el espacio como un medio que lleva la luz, la propagación de la luz se rige por las propiedades electromagnéticas (la permeabilidad y la permitividad) del vacío cuántico.
"Estamos desarrollando un modelo matemático donde la gravedad es el resultado de la disminución de la densidad de energía de un vacío cuántico 3D causada por la presencia de un objeto dado estelar o cuerpo material", dijo Sorli. "La masa inercial y la masa gravitatoria tienen el mismo origen: la disminución de la densidad de energía del vacío cuántico. Este modelo proporciona cálculos exactos para la presesión del perihelio de Mercurio como los cálculos de la teoría de la relatividad general. "





fuente de la información:




http://phys.org/news/2012-04-physicists-abolish-fourth-dimension-space.html