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Cómo un decimal podría redefinir la física

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Cómo un decimal podría redefinir la física

El momento magnético del muón plantea un enigma científico debido a la ligera diferencia entre sus valores teóricos y experimentales, lo que sugiere interacciones con partículas o fuerzas desconocidas. La investigación que implica simulaciones cuánticas avanzadas ha comenzado a resolver estas discrepancias, proporcionando información sobre las propiedades fundamentales de los muones y sus interacciones en la física de partículas. Crédito: SciTechDaily.com

Los investigadores han identificado el origen de las discrepancias en las predicciones recientes sobre el momento magnético del muón. Sus hallazgos podrían contribuir al estudio de la materia oscura y otros aspectos de la nueva física.

El momento magnético es una propiedad intrínseca de una partícula con espín, resultante de la interacción entre la partícula y un imán u otro objeto con un campo magnético. Al igual que la masa y la carga eléctrica, el momento magnético es una de las cantidades fundamentales de la física. Existe una diferencia entre el valor teórico del momento magnético de un muón, partícula de la misma clase que el electrón, y los valores obtenidos durante experimentos de alta energía realizados en aceleradores de partículas.

La diferencia sólo aparece hasta el octavo decimal, pero ha intrigado a los científicos desde su descubrimiento en 1948. No es un detalle: puede indicar si el muón interactúa con partículas de materia oscura u otros bosones de Higgs, o incluso si los bosones de Higgs son desconocido. Hay fuerzas involucradas en el proceso.

Divergencias en el momento magnético del Muón.

El valor teórico del momento magnético del muón, representado por la letra g, viene dado por la ecuación de Dirac, formulada por el físico inglés y premio Nobel de 1933 Paulo Dirac (1902-1984), uno de los fundadores de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica. – como 2. Sin embargo, los experimentos han demostrado que g no es exactamente 2 y existe un gran interés en comprender “g-2”, es decir, la diferencia entre el valor experimental y el valor predicho por la ecuación de Dirac. El mejor valor experimental disponible actualmente, obtenido con un impresionante grado de precisión en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab) en Estados Unidos y anunciado en agosto de 2023, es 2,00116592059, con un rango de incertidumbre de más o menos 0,00000000022.

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«Determinar con precisión el momento magnético del muón se ha convertido en una cuestión clave en la física de partículas, porque el estudio de esta discrepancia entre los datos experimentales y las predicciones teóricas puede proporcionar conocimientos que podrían conducir al descubrimiento de un nuevo efecto espectacular», dijo el físico Diogo Boito, investigador de física. . profesor del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), dijo a Agência FAPESP.

Se publica en la revista un artículo sobre el tema de Boito y sus colaboradores Cartas de examen físico.

Nuevos conocimientos de la investigación

“Nuestros resultados fueron presentados en dos importantes eventos internacionales. Primero por mí en un taller en Madrid, España, y luego por mi colega Maarten Golterman de la Universidad Estatal de San Francisco en una reunión en Berna, Suiza”, dijo Boito.

Estos resultados cuantifican e indican el origen de una discrepancia entre los dos métodos utilizados para realizar las predicciones actuales del muón g-2. “Actualmente existen dos métodos para determinar un componente fundamental de g-2. El primero se basa en datos experimentales y el segundo en simulaciones por computadora de la cromodinámica cuántica, o QCD, la teoría que estudia las interacciones fuertes entre quarks. Estos dos métodos producen resultados bastante diferentes, lo que plantea un problema importante. Hasta que no se resuelva el problema, no podremos estudiar la contribución de posibles partículas exóticas, como los nuevos bosones de Higgs o la materia oscura, por ejemplo, al g-2”, explicó.

El estudio logró explicar la discrepancia, pero para comprenderla debemos retroceder unos pasos y comenzar de nuevo con una descripción un poco más detallada del muón.

Experimento del muón g-2 en Fermilab

Anillo de almacenamiento de muones del Fermilab. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

El muón es una partícula que pertenece a la clase de los leptones, al igual que el electrón, pero cuya masa es mucho mayor. Por este motivo, es inestable y sólo sobrevive muy poco tiempo en un contexto de alta energía. Cuando los muones interactúan entre sí en presencia de un campo magnético, se desintegran y se reagrupan formando una nube de otras partículas, como electrones, positrones, bosones W y Z, de Higgs y fotones. Por lo tanto, en los experimentos, los muones siempre van acompañados de muchas otras partículas virtuales. Sus aportaciones hacen que el momento magnético real medido experimentalmente sea mayor que el momento magnético teórico calculado mediante la ecuación de Dirac, que es igual a 2.

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“Para conseguir la diferencia [g-2]es necesario considerar todas estas contribuciones –tanto las predichas por QCD [in the Standard Model of particle physics] y otros que son más pequeños pero aparecen en mediciones experimentales de alta precisión. Conocemos muy bien muchas de estas contribuciones, pero no todas”, dijo Boito.

Los efectos de la interacción fuerte QCD no pueden calcularse teóricamente únicamente, porque en algunos regímenes energéticos no son prácticos. Por tanto, existen dos posibilidades. Uno de ellos se ha utilizado durante algún tiempo e implica el uso de datos experimentales obtenidos de colisiones electrón-positrón, que crean otras partículas hechas de quarks. El otro es el QCD basado en red, que sólo se ha vuelto competitivo en la década actual e implica la simulación del proceso teórico en una supercomputadora.

“El principal problema con la predicción del muón g-2 en la actualidad es que el resultado obtenido utilizando datos de colisión electrón-positrón no concuerda con el resultado experimental total, mientras que los resultados basados ​​en QCD reticular sí lo son. Nadie sabía realmente por qué, y nuestro estudio aclara parte de ese enigma”, dijo Boito.

Él y sus colegas llevaron a cabo su investigación precisamente para resolver este problema. “El artículo informa los resultados de una serie de estudios en los que desarrollamos un nuevo método para comparar los resultados de simulaciones QCD de red con resultados basados ​​en datos experimentales. Demostramos que es posible extraer contribuciones de los datos calculados en la red con alta precisión: contribuciones de diagramas de Feynman conectados”, dijo.

El físico teórico estadounidense Richard Feynman (1918-1988) ganó el Premio Nobel de Física en 1965 (junto con Julian Schwinger y Shin'ichiro Tomonaga) por su trabajo fundamental en electrodinámica cuántica y física de partículas elementales. Los diagramas de Feynman, creados en 1948, son representaciones gráficas de expresiones matemáticas que describen la interacción de dichas partículas y se utilizan para simplificar los respectivos cálculos.

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“En el estudio obtuvimos por primera vez las contribuciones de los diagramas de Feynman conectados en la llamada “ventana de energía intermedia” con alta precisión. Ahora tenemos ocho resultados para estas contribuciones, obtenidos mediante simulaciones QCD de celosía, y todos coinciden en gran medida. Además, demostramos que los resultados basados ​​en datos de interacción electrón-positrón no concuerdan con estos ocho resultados de las simulaciones”, dijo Boito.

Esto permitió a los investigadores localizar el origen del problema y pensar en posibles soluciones. «Quedó claro que si por alguna razón los datos experimentales del canal de dos piones se subestiman, esta podría ser la causa de la discrepancia», dijo. Los piones son mesones: partículas formadas por un quark y un antiquark producidas en colisiones de alta energía.

De hecho, nuevos datos (aún bajo revisión por pares) del Experimento CMD-3 Un estudio llevado a cabo en la Universidad Estatal de Novosibirsk en Rusia parece mostrar que los datos más antiguos sobre canales de dos piones pueden haber sido subestimados por alguna razón.

Referencia: “Determinación basada en datos del componente conectado al quark ligero de la contribución de la ventana intermedia al muón g-2» por Genessa Benton, Diogo Boito, Maarten Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman y Santiago Peris, 21 de diciembre de 2023, Cartas de examen físico.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

La participación de Boito en el estudio fue parte de su proyecto «Testing the Standard Model: Precision QCD and muon g-2», por el cual la FAPESP le otorgó una Beca para Jóvenes Investigadores Fase 2.

Experiencia en periódicos nacionales y periódicos medianos, prensa local, periódicos estudiantiles, revistas especializadas, sitios web y blogs.

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Dos importantes institutos espaciales de África se unen al proyecto lunar liderado por China

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Dos importantes institutos espaciales de África se unen al proyecto lunar liderado por China

El 5 de abril, Hu Chaobin, subdirector del Laboratorio de Exploración del Espacio Profundo de China, firmó el memorando de entendimiento con la directora del SSGI, Abdissa Yilma, en la capital etíope de Addis Abeba, según la cuenta oficial de WeChat del laboratorio.

Durante su reunión, Yilma dijo que el instituto participará activamente y promoverá la construcción del ILRS. Mientras tanto, Hu dijo que esperaba que el proyecto ayudara a impulsar el desarrollo del sector aeroespacial y las tecnologías de exploración espacial de Etiopía.

Hu Chaobin, subdirector del Laboratorio de Exploración del Espacio Profundo de China, con Jennifer W. Khamasi, directora interina de KAIST, en la firma del memorando de entendimiento a principios de este mes. Foto: X/@AJ_FI

Luego, el 8 de abril, Hu firmó el memorando de cooperación con la directora interina del KAIST, Jennifer W. Khamasi, durante su visita a Konza Techno City, al sur de Nairobi.

El presidente de la junta directiva de KAIST, Emmanuel Mutisya, que también estuvo presente en la reunión, dijo que el instituto se beneficiaría de las oportunidades de investigación y educación generadas por la colaboración. con el ILRS. También le dijo a Hu que KAIST ayudaría a impulsar al gobierno de Kenia a unirse al proyecto.

Hu invitó a Yilma y Mutisya a asistir a la Conferencia Internacional sobre Exploración del Espacio Profundo, conocida como Foro Tiandu, que se celebrará en China en septiembre.

Estas últimas asociaciones se formaron durante el viaje del laboratorio a la conferencia NewSpace África celebrada en Angola la primera semana de abril.

En la conferencia, el discurso de apertura de Hu incluyó el primer llamado público a las naciones y organizaciones africanas para que se unan a la iniciativa ILRS.

Hasta el momento, la ILRS cuenta con nueve países miembros: China, Rusia, Venezuela, Pakistán, Azerbaiyán, Bielorrusia, Sudáfrica, Egipto y Tailandia. Países de la OTAN Según se informa, Turquía también pidió unirse. Además de estos, también cuenta con varios miembros que son institutos de investigación, universidades o empresas.
El frecuentemente visto programa Artemis liderado por Estados Unidos como rival al proyecto ILRS, cuenta ahora con un total de 38 países que han firmado sus acuerdos Artemis.

SSGI es anteriormente el Instituto Etíope de Ciencia y Tecnología Espaciales, que se estableció en 2016 como una importante iniciativa para impulsar las actividades de ciencia y tecnología espaciales en el país para el desarrollo sostenible.

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KAIST, actualmente en construcción en Konza Techno City, sigue el modelo del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea. Su objetivo es liderar investigaciones pioneras en ciencia y tecnología y formar científicos e ingenieros altamente calificados para la industrialización y modernización de Kenia, según el sitio web del instituto.

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El núcleo de Plutón probablemente fue creado por una antigua colisión

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El núcleo de Plutón probablemente fue creado por una antigua colisión

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Una enorme forma de corazón en la superficie de Plutón ha intrigado a los astrónomos desde que la nave espacial New Horizons de la NASA la capturó en una imagen de 2015. Los investigadores ahora creen que han resuelto el misterio de cómo surgió este corazón distintivo, y podría revelar nuevas pistas sobre los orígenes del planeta enano. .

Esta característica se llama Tombaugh Regio en honor al astrónomo Clyde Tombaugh, quien descubrió Plutón en 1930. Pero el núcleo no es solo un elemento, dicen los científicos. Y durante décadas, los detalles sobre la elevación de Tombaugh Regio, su composición geológica y forma distintiva, y su superficie altamente reflectante que es de un blanco más brillante que el resto de Plutón, han desafiado toda explicación.

Una cuenca profunda llamada Sputnik Planitia, que constituye el «lóbulo izquierdo» del núcleo, alberga gran parte del hielo de nitrógeno de Plutón.

La cuenca cubre un área de 745 millas por 1242 millas (1200 kilómetros por 2000 kilómetros), que es aproximadamente una cuarta parte del área de los Estados Unidos, pero también es de 1,9 a 2,5 millas (3 a 4 kilómetros) más baja. en elevación que la mayoría de los Estados Unidos. la superficie del planeta. Mientras tanto, el lado derecho del corazón también tiene una capa de hielo de nitrógeno, pero es mucho más delgada.

Gracias a una nueva investigación sobre Sputnik Planitia, un equipo internacional de científicos ha determinado que un evento cataclísmico creó el núcleo. Después de un análisis que incluyó simulaciones numéricas, los investigadores concluyeron que un cuerpo planetario de unos 700 kilómetros de diámetro, aproximadamente el doble del tamaño de Suiza de este a oeste, probablemente había chocado con Plutón en las primeras etapas de la historia del planeta enano.

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Los hallazgos son parte de un estudio sobre Plutón y su estructura interna publicado el lunes en la revista astronomía natural.

Anteriormente, el equipo había estudiado características inusuales en todo el sistema solar, como aquellas en la cara oculta de la Luna, probablemente creadas por colisiones durante los caóticos primeros días de la formación del sistema.

Los investigadores crearon simulaciones numéricas utilizando un software de hidrodinámica de partículas suavizadas, considerado la base para una amplia gama de estudios de colisiones planetarias, para modelar diferentes escenarios de posibles impactos, velocidades, ángulos y composiciones de la colisión teorizada del cuerpo planetario con Plutón.

Los resultados mostraron que el cuerpo planetario probablemente chocó contra Plutón en un ángulo inclinado en lugar de de frente.

«El núcleo de Plutón es tan frío que el (cuerpo rocoso que chocó con el planeta enano) permaneció muy duro y no se derritió a pesar del calor del impacto, y gracias al ángulo de impacto y la baja velocidad, el núcleo derretido del impactador no se hunde en el núcleo de Plutón, pero permanece intacto como una salpicadura en él”, dijo el autor principal del estudio, el Dr. Harry Ballantyne, investigador asociado de la Universidad de Berna en Suiza, en un comunicado de prensa.

Pero, ¿qué pasó con el cuerpo planetario después de que chocó con Plutón?

«En algún lugar debajo del Sputnik se encuentra el núcleo restante de otro cuerpo masivo, que Plutón nunca digirió por completo», dijo en un comunicado de prensa el coautor del estudio Erik Asphaug, profesor del Laboratorio Planetario y Lunar de la Universidad de Arizona.

La forma de lágrima del Sputnik Planitia es el resultado de la frigidez del núcleo de Plutón, así como de la velocidad relativamente baja del impacto en sí, descubrió el equipo. Otros tipos de impactos que fueron más rápidos y directos habrían creado una forma más simétrica.

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“Estamos acostumbrados a pensar en las colisiones planetarias como eventos increíblemente intensos cuyos detalles pueden ignorarse, excepto aspectos como la energía, el impulso y la densidad. Pero en el sistema solar distante, las velocidades son mucho más lentas y el hielo sólido es sólido, por lo que hay que ser mucho más preciso en los cálculos”, dijo Asphaug. «Ahí es donde comienza la diversión».

Mientras estudiaba la función cardíaca, el equipo también se centró en la estructura interna de Plutón. Un impacto temprano en la historia de Plutón habría creado un déficit de masa, provocando que Sputnik Planitia migrara lentamente hacia el polo norte del planeta enano con el tiempo, mientras el planeta aún se estaba formando. Esto se debe a que, según las leyes de la física, la cuenca es menos masiva que su entorno, explican los investigadores en el estudio.

Sin embargo, el Sputnik Planitia se encuentra cerca del ecuador del planeta enano.

Investigaciones anteriores han sugerido que Plutón podría tener un océano subsuperficial y, de ser así, la corteza helada sobre el océano subsuperficial sería más delgada en la región de Sputnik Planitia, creando una densa protuberancia de agua líquida y provocando una migración masiva hacia el ecuador”, señala el estudio. dijeron los autores.

Pero el nuevo estudio ofrece una explicación diferente para la ubicación de esta característica.

“En nuestras simulaciones, todo el manto primordial de Plutón queda ahuecado por el impacto, y cuando el material del núcleo del impactador salpica el núcleo de Plutón, crea un exceso de masa local que puede explicar la migración hacia el ecuador sin un océano subterráneo, o como mucho sin un océano subsuperficial muy delgado”, dijo el coautor del estudio, el Dr. Martin Jutzi, científico senior en investigación espacial y ciencias planetarias del Instituto de Física de la Universidad de Berna.

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Kelsi Singer, científica principal del Southwest Research Institute en Boulder, Colorado, y co-investigadora principal adjunta de la misión New Horizons de la NASA, que no participó en el estudio, dijo que los autores hicieron un trabajo extenso en la exploración de modelos y el desarrollo de sus hipótesis. . , aunque le hubiera gustado ver “una conexión más estrecha con la evidencia geológica”.

«Por ejemplo, los autores sugieren que la parte sur de Sputnik Planitia es muy profunda, pero gran parte de la evidencia geológica se ha interpretado en el sentido de que el sur es menos profundo que el norte», dijo Singer.

Los investigadores creen que la nueva teoría sobre el núcleo de Plutón podría arrojar más luz sobre la formación del misterioso planeta enano. Los orígenes de Plutón siguen siendo oscuros ya que existe en el borde del sistema solar y sólo ha sido estudiado de cerca por la misión New Horizons.

«Plutón es un vasto país de las maravillas con una geología única y fascinante, por lo que siempre son útiles hipótesis más creativas para explicar esta geología», dijo Singer. “Lo que ayudaría a distinguir entre las diferentes hipótesis es más información sobre el subsuelo de Plutón. Sólo podemos lograrlo enviando una nave espacial a la órbita de Plutón, potencialmente con un radar capaz de mirar a través del hielo.

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Vea cómo el 'cometa diablo' se acerca al Sol en una explosiva eyección de masa coronal (vídeo)

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Vea cómo el 'cometa diablo' se acerca al Sol en una explosiva eyección de masa coronal (vídeo)

El observatorio solar espacial STEREO-A de la NASA está monitoreando de cerca el «cometa del diablo» 12P/Pons-Brooks mientras se prepara para realizar su máxima aproximación al sol, conocida como perihelio, el 21 de abril.

En esta secuencia, el cometa pasa cerca de Júpiter desde la perspectiva del observatorio, justo cuando se lanza al espacio una eyección de masa coronal (CME), una gran expulsión de plasma y campo magnético del Sol.

Las CME se forman de la misma manera que las erupciones solares: son el resultado de la torsión y realineación del campo magnético del sol, conocido como reconexión magnética. Cuando estas líneas de campo magnético se “enredan”, producen fuertes campos magnéticos localizados que pueden atravesar la superficie del Sol y liberar CME.

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Una animación que muestra el cometa 12P/Pons-Brooks brillando intensamente cerca de Júpiter cuando una gran CME es liberada del Sol el 12 de abril de 2024. (Crédito de la imagen: NASA STEREO/Edición de Steve Spaleta)
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