El experimento cósmico de Bell.
El debate entre Einstein y Bohr sobre la posibilidad de que una teoría de variables ocultas pudiera explicar el entrelazamiento cuántico fue resuelto por el teorema de John Bell. La mecánica cuántica viola unas desigualdades que ninguna teoría de variables ocultas puede violar. Sin embargo, su argumento presenta algunas lagunas (loopholes). La más importante es la de “libre albedrío” (free will loophole). En el pasado los dos sistemas entrelazados podrían compartir una historia (oculta) común. ¿Cómo se puede evitar esta laguna?
Lo más obvio es usar dos objetos que desde el inicio del Big Bang hayan estado siempre separados entre sí, como dos cuásares colocados en lugares opuestos del cielo. El fisico teórico David Kaiser (MIT) y dos colegas proponen realizar un experimento de tipo Bell en las Islas Canarias utilizando dos fotones entrelazados separados 144 km (distancia entre La Palma y Tenerife) y fotones producidos en dos cuásares muy alejados entre sí y observados por dos telescopios. La ejecución práctica de este experimento teórico no es fácil, pero podría eliminar la laguna del libre albedrío en el teorema de Bell. Por supuesto, no descarta otras lagunas de la física cuántica que el teorema de Bell no es capaz de decidir (como la existencia de variables ocultas superdeterministas).
El artículo técnico es Jason Gallicchio, Andrew S. Friedman, David I. Kaiser, “Testing Bell’s Inequality with Cosmic Photons: Closing the Setting-Independence Loophole,” Physical Review Letters, Aceptado Mar 2014; arXiv:1310.3288 [quant-ph]. Recomiendo leer también a Charles Q. Choi, “Quasar Experiment May Shed Light on Quantum Physics and Free Will,” NBCNews, 6 Mar 2014; y a Zeeya Merali, “Cosmic light could close quantum-weirdness loophole. Distant quasars would decide whether quantum entanglement is an illusion,” Nature News, 25 Feb 2014.
ATLAS no observa microagujeros negros en el LHC.
¿Puede producir agujeros negros el LHC? Ninguna ley física lo prohíbe, si existen dimensiones extras en el espaciotiempo de tamaño micrométrico (como predicen algunos teóricos). Estos microagujeros negros (con masa en la escala de energía TeV) se desintegran al instante en una señal, que por fortuna, es muy fácil de observar en los análisis de datos de los detectores ATLAS y CMS del LHC. Por ello, ambas colaboraciones están buscando agujeros negros cuánticos (QBH por quantum black hole). Por ahora el resultado es infructuoso. No se han observado, pero se seguirán buscando.
ATLAS publica en Physical Review Letters que el análisis de las 20,3 /fb de colisiones protón contra protón a 8 TeV c.m. obtenidas en el año 2012 descarta la existencia de QBH con masa inferior a unos 5,3 TeV al 95% CL. Las futuras colisiones a 13 TeV c.m. en el año 2015 permitirán subir este límite inferior. Nos lo cuenta Matteo Rini, “Synopsis: No Quantum Black Holes Detected at LHC,” Physics, 5 Mar 2014. El artículo técnico ATLAS Collab., “Search for Quantum Black Hole Production in High-Invariant-Mass Lepton+Jet Final States Using pp Collisions at s=8 TeV and the ATLAS Detector,” Phys. Rev. Lett.112: 091804, 5 Mar 2014; arXiv:1311.2006 [hep-ex].
La búsqueda de la materia oscura.
Hemos observado la materia oscura gracias a la gravedad y sabemos que el 85% de la materia del universo es materia oscura. Sin embargo, aún no tenemos una descripción cuántica de la materia oscura (es decir, no sabemos qué es). Hay muchos experimentos en curso y hay muchos planificados para esta década. Todo apunta a que alrededor del año 2020 deberíamos saber si la materia oscura es resultado de una partícula o de otra cosa (**). Nos lo cuentan Mario Livio y Joe Silk, “Physics: Broaden the search for dark matter,” Nature 507: 29-31, 06 Mar 2014.
En 2013, el experimento de búsqueda directa de la materia oscura más sensible hasta el momento, LUX (Large Underground Xenon), situado en la Mina Homestake, en Lead, Dakota del Sur, no observó ninguna señal (en sus primeros tres meses). LUX utiliza 370 kg de xenón líquido (su versión ampliada LUX ZEPLIN planificada para 2019 usará 7 toneladas). También en 2013, el equipo DAMA/LIBRA verificó a 9 sigmas la existencia de una oscilación cuyo origen es desconocido pero apunta a la materia oscura. Experimentos como CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology), en Soudan, Minnesota, que deberían haber detectado la señal observada por DAMA/LIBRA no lo han hecho. El experimento AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) situado en la Estación Espacial Internacional (ISS) ha confirmado un exceso en el flujo de positrones en los rayos cósmicos con energías de hasta 350 GeV, que fue descubierto por el satélite PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics). El origen de la señal podría ser la aniquilación de la materia oscura, pero no se puede descartar un origen astrofísico.
El telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA también ha observado un exceso de rayos gamma en el centro galáctico (donde se cree que se concentra la materia oscura galáctica). El exceso asociado a una energía de 130 GeV podría tener un origen astrofísico (o incluso un origen instrumental). En los próximos años, el telescopio de rayos gamma HESS (High Energy Stereoscopic System), en Namibia, estudiará en detalle el centro galáctico en el rango de energías de 100 GeV a 1 TeV. HESS confirmará o refutará la señal de Fermi. Finalmente, los experimentos ATLAS y CMS del LHC (Large Hadron Collider), en el CERN, cerca de Ginebra, Suiza, tampoco ha observado ninguna señal de la materia oscura. En 2015 el LHC usará colisiones a 14 TeV (en lugar de 8 TeV) lo que incrementará mucho las probabilidades de que se detecte alguna señal de las partículas responsables de la materia oscura.
(**) Lo confieso, a veces peco de optimista, otras veces de pesimista. En esta entrada he pecado de optimista (como Antonio indica en los comentarios). Alrededor del año 2020 (es decir, 2020-2025) habremos explorado todo el espacio de parámetros para posibles masas para una partícula WIMP que se puede explorar con búsquedas directas.
Si para entonces no se ha encontrado una partícula WIMP responsable de la materia oscura, será muy difícil (casi imposible) poder detectar dichas partículas. Por tanto, habrá que descartar la idea de que la materia oscura esté hecha de partículas que podamos detectar de forma directa.
Habrá que buscar otras explicaciones a la materia oscura.
