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Los resultados de BICEP2 casi desmentidos por los datos de Planck

septiembre 22, 2014

Hace unos meses el experimento BICEP2 proclamó haber encontrado evidencias de ondas gravitacionales primordiales, producidas por la inflación, siendo pues una evidencia también de la existencia de la inflación. Esto se había logrado al encontrar modos B en el fondo cósmico de microondas. Este tipo de ondas significan que un ratio, llamado r, tenía un valor 0.2, mucho mayor que lo esperado según los modelos considerados hasta ese momento.

Desde la publicación de ese anuncio el arxiv ha visto una media de tres artículos diarios sobre inflación (eso he leído, habiendo seguido el arxiv casi a diario yo diría que más). Yo, en su momento, no puse nada sobre la noticia por un sencillo motivo: en el pasado he dejado constancia de muchos posibles descubrimientos, y, excepto el Higgs, todos han resutltado quedar en nada (vale, también es que para cuando había entendido bien que eran los dichosos modos B, el índice r, y el resto de detalles la noticia ya había dejado de serlo xD).

El caso es que cuando se publicó el resultado ya se avisó que era necesario que otros experimentos relacionados, y en particular el satélite Planck, contrastaran la observación. Hoy el experimento Planck se ha pronunciado, y lo que ha dicho es que el resultado de BICEP2 podría ser debido exclusivamente a polarización del fondo de microondas provocado por polvo interestelar en la zona de cielo observada y no debido a ondas primordiales. El problema es que BICEP2 medía la polarización exclusivamente en una frecuencia, y dependía de modelos teóricos para estimar el fondo. Planck usa medidas en 5 frecuencias, y mira una zona mas amplia del cielo, y no tiene ese problema.

El artículo de Planck en cuestión es éste: Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes.

Se puede leer más sobre el tema en el blog de Sean Carrol, preprosperous universe: Planck Speaks: Bad News for Primordial Gravitational Waves? o, también, en un blog que no conocía de nada, cuyo link ha dado Peter Woit ‘Big Bang Signal’ Could All Be Dust. Este último blog da muchos detalles, y no me cabe duda de que la mayoría de los blogs famosos tendrán entrada al respecto, así que recomiendo ojearlos.

De haberse confirmado este experimento habría significado un premio nobel teórico para los proponentes de la inflacción (Allan Guth y Andre Linde), y otro para el grupo experimental, bien por la medida de la inflación o bien por las ondas gravitacionales (al fín y al cabo sería la primera evidencia casi directa de la existencia de las mismas), o incluso uno nobel por cada uno de los descubrimientos, vaya. Pero, en vista de lo que ha publicado hoy Planck parece que va a quedarse en nada, lo cuál, con la escasez de descubrimientos positivos en física y cosmología fundamental, es siempre algo antipático. De hecho esta contumaz costumbre de resultados experimentales a medias, que siempre terminan siendo desmentidos, que tenemos en la última década es lo que hace que cada vez me de mas pereza publicar sobre lo que se está haciendo hoy día y me divierta más escribir sobre ideas propias, que aunque no sean tan importantes cómo lo que pueda hacerse por ahí, me resulta mas entretendio exponer. Aún así seguiré poniendo de vez en cuando noticias sobre temas que me resulten llamativos y también seguiré con otras entradas didácticas sobre temas ya establecidos.

Juegos formales: Masas tensoriales I (planteamiento).

septiembre 13, 2014

Debo decir que las cosas que se están haciendo últimamente en física teórica, a nivel mas innovativo, no me entusiasman terriblemente, así que por eso estoy esforzándome en reflejar lo que se está haciendo. Además, ya está el blog de Lubos y otra gente. Uno de los artículos más interesantes en bastante tiempo, que no puedo dejar de recomendar, es éste:
Vafa: supergroups, non-unitary cousins of CFT, and black hole puzzles en el que comenta este artículo de el famoso Cumrum Vafa (posiblemente el físico de cuerdas mas prestigioso después de Ed Witten, con permiso de Juan Maldacena) Non-Unitary Holography.

Hay alguna cosa más, que ya iré mencionando según vaya leyendo y analizando, pero hoy me voy a centrar en algo que estuve haciendo hace un tiempo, y que creo puede resultar entretenido, y que ayuda a replantearse cosas, pasar de una física en la que la masa es una constante a ser una magnitud tensorial.

Lo primero es indicar las motivaciones iniciales para considerar esa posiblidad. La primera idea la tuve a raíz de un polémico experimento de PODKLETNOV y su presunta máquina de antigravedad . La verdad es que el experimento y la polémica quedaron en nada, al menos hasta dónde sé. Pero la idea que me planteé es la siguiente. Sí uno piensa en que en una zona de la tierra hay una máquina de antigravedad eso significaría que el campo gravitatorio resultante perdería su simetría esférica. En el límite en que se hace que la masa que provoca el campo sea puntual tendríamos que en vez de un punto sin estructura en la que estuviera toda la masa tendríamos algo que tendría una distribución angular, bien en forma de vector, o de tensor de segundo orden (o alguna forma mas complicada como un desarrollo en serie de términos tensoriales de orden creciente, pero vamos, mejor empezar por las generalizaciones mas sencillas.

Bien, esa es la primera idea. La segunda sería ¿Y cómo sería el comportamiento inercial de esa masas vectoriales o tensoriales? Por supuesto sabemos que, al menos en promedio, la masa no tiene estructura. Ahora bien, pensemos en un electrón (o cualquier otra partícula subatómica). Imaginemos que moverlo en una dirección sea ligeramente mas difícil que moverlo en alguna otra, pero que la orientación de ese vector, o tensor masa, varíe de un electrón a otro. Así, en promedio, para una cantidad macroscópica de electrones, no habrá ninguna dirección privilegiada. Luego, si vamos a el caso del análisis de un electrón aislado, al ser cuántico y no seguir una trayectoria, pues ya no tiene mucho sentido el estudio clásico y habría que ir a el caso cuántico. La verdad es que imagino que habrá límites experimentales que, desde ya, se pueden hacer a la posible asimetría vectorial/tensorial de la masa de las subpartículas, aunque siempre se podría argumentar que sí son muy pequeños no serían observables si no se busca específicamente.

Una consecuencia práctica de este posible carácter vectorial/tensorial de la materia sería la siguiente. Sí se pudiera “polarizar” la materia de tal forma que todas las subpartículas, orientadas de manera aleatoria, alinearan sus masas en una dirección concreta tendríamos una situación interesante. La “masa total” (el módulo del vector, o sí es un tensor, alguna norma matricial adecuada) se mantendría, pero resultaría que mover un objeto en la dirección del menor valor de la masa sería mas sencillo que en las otras. Así, si realmente la materia tuviera esa naturaleza, y supiéramos cómo polarizarla, podríamos, dependiendo del grado de asimetría, hacer que mover un cuerpo en una dirección requiriese muy poca fuerza (y por consiguiente gasto energético) a costa de que fuese mas difícil de maniobrar, debido a la mayor masa en las otras direcciones. Sí, por ejemplo, la asimetria pudiera ser de un 30% eso significaría que ahorraríamos un 30% de gasto en transporte.

Ok, hasta ahí consideraciones muy mundanas. Vamos a ir a algo mas abstracto. En relatividad general el campo gravitatorio newtoniano pasa a ser la geometria del espacio-tiempo, y en concreto su métrica, un tensor de orden 2 (una matriz, para entendernos). A partir de la métrica (que generaliza el potencial, la componente 00 de la métrica está relacionada con el potencial newtoniano clásico) se obtiene el tensor de curvatura de Ricci, otro tensor de orden 2. Cómo ya mencioné en la entrada anterior, comentando el libro sobre Riemman, la parte de geometría diferencial estaba hecha en 1902 o así, y la idea de que el espacio podría ser curvo llega hasta, cuanto menos, Gauss, y ya un físico formuló una idea de que la materia curvaba el espacio a mediados del siglo XIX. El éxito de Einstein fué pasar de esas consideraciones etéreas a algo mas concreto. En concreto, sospecho, la gran dificultad de la RG, que pasa desapercibida, y no se hace suficiente énfasis, es
cómo relacionar esas ideas geométricas con la materia. La solución, desde el punto de vista actual, es el tensor de energía momento. Una introducción muy detallada a las ideas básicas de ese tensor la podéis encontrar en el estupendo blog sobre la teoría de la relatividad, en concreto esta entrada. En física teórica se suele definir una fórmula general para obtener ese tensor a partir del lagrangiano de un campo. Ese campo puede ser el campo electromagnético, o un campo cuántico genérico, cómo el campo de klein-gordon o el de Dirac. Estos últimos surgen de la idea de tomar la “función de onda” de una partícula que cumpla las respectivas ecuaciones cómo un campo “clásico” cuyo valor se interpreta cómo la probabilidad de crear una partícula que cumpla esas ecuaciones (el bosón de Higgs seguiría la ecuación de Klein-Gordon, el electrón la de Dirac). Lo interesante es que esos lagrangianos, cuando tienen una masa en el término cinético, es una masa “escalar”. Uno se podría plantear que tal vez sea mas “natural” que ya de principio la masa sea un tensor, cómo el lado derecho de la ecuación, el tensor de Ricci. Desde luego no es esta la idea mas habitual. Lo que la gente ha buscado es que la materia sea en si misma algo con estructura geométrica. En esa línea lo último que he visto es un trabajo del famoso matemático (galardonado con la medalla fields), Michael Atiya Geometric Models of Matter que, la verdad, no ha tenido una gran repercusión.

Aparte de estas justificaciones “abstractas” otra motivación mas pragmática y fenomenológica vendría de la posibilidad de que sí vivimos en un “braneworld” en el que la materia está restringida a moverse en una brana tal vez haya alguna asimetría en la brana, que varíe de un punto a otro, y que esa asimetría cause esa “masa tensorial”. O, tal vez, podríamos pensar en un mecanismo de Higgs alterado, con un Higgs que no sea escalar sino vectorial, y que no represente una simetría interna sino externa. La verdad es que esto está muy traído por los pelos y, en última instancia, es casi mas interesante el juego conceptual, y lo que se puede aprender siguiéndolo, que la parte práctica, aunque nunca se sabe ;-).

Bien, entonces tras esta exposición de las motivaciones pasaré, en la siguiente entrada, a exponer cómo implementar la idea, y lo que se aprende en el intento.