Gracias a una colaboración iniciada hace pocos años, las investigadoras Gabriela Pasquini del Laboratorio de Bajas Temperaturas y María Gabriela Capeluto del Laboratorio de Procesado de Imágenes acaban de publicar los primeros resultados de su investigación. El trabajo experimental fue desarrollado por el estudiante de doctorado Pablo Domenichini, codirigido por ambas.

Sugerido por los editores de Physical Review B, el artículo reporta un comportamiento inesperado de las paredes de dominios magnéticos en películas ferromagnéticas ultradelgadas al ser forzadas por pulsos de campo magnético alternos. Las imágenes magneto-ópticas muestran que las paredes de dominio evolucionan hacia formas fuertemente distorsionadas concomitantemente con una reducción del área de los dominios. Este comportamiento es particualrmente llamativo, ya que no se deriva a partir de los modelos usados para describir el crecimiento y la reducción de los dominios magneticos. En el trabajo se caracteriza además la evolución de la morfología de las paredes y se discute la física subyacente.

https://journals.aps.org/prb/highlights

Experimentos simultáneos en cinco continentes desafían el principio de realismo local imaginado por Einstein. Los participantes contribuyeron al experimento generando más de 90 millones de bits, eligiendo en forma impredecible distintas mediciones para eludir la paradoja conocida como “la trampa (loophole) de libertad de elección”. Este estudio fue publicado en la revista Nature.

El 30 de Noviembre de 2016, más de 100.000 personas alrededor del mundo contribuyeron a un conjunto de experimentos de física, primeros en su género, conocido como The BIG Bell Test. Usando smartphones y otros dispositivos con conexión a internet, los participantes aportaron bits impredecibles, que fueron utilizados para determinar de qué manera iban a ser medidos átomos entrelazados, fotones y dispositivos superconductores en doce laboratorios distribuidos por todo el mundo. Los científicos utilizaron este aporte humano para cerrar un loophole, es decir una ambigüedad, que se presenta en forma ubicua en los experimentos del principio de realismo local de Einstein. Los resultados ya han sido analizados, y se reportan en la edición de esta semana de la revista Nature.

En un test de Bell (así llamado por el físico John Stewart Bell), pares de partículas entrelazadas como fotones se generan y se envían a distintas ubicaciones, en las que se mide alguna propiedad de estas partículas como el color de los fotones o su tiempo de llegada. Si los resultados de las mediciones tienden a coincidir, independientemente de qué propiedades elijamos medir, esto tiene implicaciones muy sorprendentes: o la medición sobre una partícula afecta en forma instantánea a la otra partícula (a pesar de estar alejadas entre sí), o – aún más extraño – estas propiedades nunca existieron: fueron creadas por la misma medición. Cualquiera de estas posibilidades contradice el realismo local, la cosmovisión de Einstein sobre un universo independiente de nuestras observaciones, en el cual ninguna influencia ni información puede viajar más rápido que la luz.

El BIG Bell Test les pidió a voluntarios humanos, conocidos como Bellsters, elegir las mediciones, para cerrar el llamado “loophole de libertad de elección” – la posibilidad de que las propias partículas influencien la elección de de la medición. Tal influencia, si existiera, invalidaría el test; sería como si se les permitiera a los estudiantes escribir las preguntas de sus propios exámenes. Este loophole no se puede cerrar eligiendo con un dado o un generador de números aleatorios, porque siempre existe la posibilidad de que estos elementos físicos estén coordinados con las partículas entrelazadas. Las elecciones humanas introducen el componente de libertad de elección, por el cual las personas pueden elegir independientemente de lo que fuera que las partículas pudieran estar haciendo.

Liderado por el ICFO-The Institute of Photonic Sciences, en Barcelona, el BIG Bell Test reclutó participantes alrededor del mundo para contribuir con secuencias de ceros y unos (bits) impredecibles, a través de un videojuego online. Los bits fueron enrutados a experimentos de vanguardia en Brisbane, Shanghai, Viena, Roma, Munich, Zurich, Niza, Barcelona, Buenos Aires, Concepción (Chile) y Boulder (EUA), donde fueron utilizados para ajustar los ángulos de rotación de polarizadores y otros elementos de laboratorio, que determinaron de qué manera se medirían las partículas entrelazadas.

Los participantes contribuyeron con más de 90 millones de bits, posibilitando un test severo para el realismo local, así como también otros experimentos sobre realismo en la mecánica cuántica. Los resultados obtenidos muestran una fuerte discrepancia con la visión de Einstein, cierran por primera vez el loophole de libertad de elección, y ensayan varios métodos nuevos para el estudio del entrelazamiento y el realismo local.

EL EXPERIMENTO de Entrelazamiento en Polarización de Buenos Aires (CITEDEF-UBA)

Cada uno de los doce laboratorios distribuidos por el mundo llevaron a cabo un experimento diferente, para probar el realismo local en distintos sistemas físicos y para probar otros conceptos relacionados con el realismo. El experimento realizado en el Laboratorio de Óptica Cuántica de CITEDEF (Buenos Aires) por investigadores de CITEDEF, CONICET y la UBA, estudió la violación de la desigualdad de CHSH-Bell (una medida de la discrepancia entre la realidad y las teorías de realismo local) utilizando fotones entrelazados en polarización, generados por conversión paramétrica descendente en un arreglo de cristales no lineales. El experimento completo utilizó 10.033 bits aleatorios, generados por Bellsters distribuidos alrededor del mundo y transmitidas por los servidores del BBT en Barcelona; estos bits definían distintas configuraciones para la medición de la polarización. El experimento resultó en una violación de la desigualdad de CHSH-Bell por siete desviaciones estándar. Esto significa que si el experimento fuera repetido todos los días en un mundo regido por el realismo local, un resultado como el obtenido debería obtenerse una vez en mil millones de años.

Miguel Larotonda, Profesor en UBA e Investigador en CITEDEF-CONICET: “Es un experimento que tiende a cerrar el abismo existente entre el público en general y los conceptos 'extraños' y anti-intuitivos de la mecánica cuántica, al atraer y motivar a participantes de todo el mundo para producir secuencias impredecibles de bits, que alimentan experimentos simultáneos y de última tecnología en una cantidad de laboratorios de todo el mundo. En Argentina, el experimento BBT generó un interés sin precedentes en los medios, en el periodismo científico en particular y en el público no especializado en general.”

Carlos Abellán, investigador en ICFO e impulsor del proyecto: “El BIG Bell Test fue un proyecto increíblemente desafiante y ambicioso. En el comienzo parecía de una dificultad imposible de sortear, pero se convirtió en una realidad gracias al esfuerzo de docenas de científicos entusiastas, comunicadores científicos, periodistas y distintos medios, y especialmente a las decenas de miles de personas que contribuyeron al experimento durante el 30 de Noviembre de 2016.”

Morgan Mitchell, líder del proyecto BBT y Profesor de la Insititució Catalana de Recerca I Estudis Avançats (ICREA) en el ICFO: “Para mí, lo más asombroso es que la discusión entre Einstein y Niels Bohr, después de más de 90 años de esfuerzos para plantearla de forma más rigurosa y estudiarla en forma experimental, aún conserva un componente humano y filosófico. Sabemos que el bosón de Higgs y las ondas gravitacionales existen gracias a máquinas sorprendentes, sistemas físicos construidos para poner a prueba las leyes de la física. Pero la del realismo local es una pregunta que no podemos contestar en forma completa usando una máquina. Pareciera que nosotros mismos debemos ser parte del experimento, para preservar la honestidad del Universo.”

El equipo del BIG Bell Test quiere agradecer una vez más a los miles de participantes que en forma tan entusiasta y generosa contribuyeron a esta iniciativa. Sin su aporte esencial, este experimento nunca habría sido posible. Referencia: Challenging local realism with human choices, The Big Bell Test Collaboration, Nature 2018.

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0085-3
https://arxiv.org/abs/1805.04431

Dos publicaciones recientes del Laboratorio de sistemas dinámicos de IFIBA-UBA tuvieron repercusiones internacionales dentro y fuera del ámbito académico. No es para menos, todos queremos saber sobre los sueños de los pájaros, entender cómo experimentan su canto mientras duermen y si influye en su aprendizaje.

Gabriel Mindlin, director del laboratorio y profesor del Departamento de Física cuenta las novedades de una línea de investigación que sigue junto a Alan Bush y Juan Doppler: “En la publicación en la revista PeerJ reportamos actividad espontánea en los músculos vocales de las aves durante el sueño. En ese caso, la característica fundamental fue la variabilidad encontrada, ya que no solo aparecían los gestos motores empleados durante el canto, sino otros que durante el día no se ejecutaban”.

Los investigadores afirman que esta variabilidad sustancial no es consistente con la actividad nocturna que tienen los pájaros en términos de la consolidación de sus experiencias diurnas; y, reconocen que aunque se desconoce la función de esta activación frecuente en las noches, “puede representar un mecanismo para explorar el espacio motor o servir para generar señales internas de error que ayudan a mantener la alta estereotipia de la canción durante el día”. Los diamantes mandarines son una especie de ave que aprende un canto y lo repite casi idénticamente durante toda su vida.

En el otro trabajo relevante, difundido a través del sitio bioRxivel, Mindlin y su equipo describen y analizan un experimento, también con diamantes mandarines: “mientras el animal dormía reproducimos grabaciones de su canto diurno y pudimos observar que, en ese caso, se perdía la variabilidad. Es decir,  se inducían los mismos gestos motores empleados durante el día para cantar; afirmamos que lo que medimos en el músculo es un correlato de lo que sucede a nivel neuronal”.

“El ave no enciende la respuesta inmediatamente cuando escucha el estímulo, sino que responde con cierta probabilidad, a veces sí y otras no,  en momentos específicos del canto. Son instancias que llamamos interruptores. Empleamos como estímulo versiones sintéticas del canto -sílabas- y vimos que estas versiones breves fueron menos exitosas para provocar respuesta neuronal. Sin embargo, cuando obtuvimos una respuesta resultó idéntica a la provocada por su canto verdadero no sintetizado”, dice Mindlin.

La hipótesis del grupo es que las señales neuronales y los movimientos musculares podrían ser parte de un proceso de aprendizaje. “Creemos que el sueño juega un rol fundamental en las especies que aprenden. Por eso nosotros estamos trabajando en paralelo con otras que no aprenden, así podremos comparar y conocer qué sueña un cerebro que no necesita aprender”, concluye el físico.

- Comunicación DF -

En el extremo del segundo piso del pabellón uno, al final de un pasillo muy silencioso, está “Siberia”, un grupo de oficinas que habitan los investigadores Ricardo Piegaia y Gustavo Otero Y Garzón. Desde ese rincón en el sur del mundo están conectados al Gran Colisionador de Hadrones (LHC según sus siglas en francés e inglés), el acelerador de partículas más potente del mundo.

Los investigadores desarrollan sus actividades dentro de un consorcio internacional, el laboratorio que recrea las condiciones imperantes luego del Big Bang: el CERN. El Centro Europeo de Investigaciones Nucleares es el único responsable en hacer funcionar el acelerador y las universidades deben construir los detectores de partículas, operarlos, analizar los datos y publicar la física que se produce. Argentina es uno de los 37 países que integran el proyecto a través de la UBA y la Universidad de la Plata.

“Ninguna universidad puede tener un colisionador propio en el sótano o en el techo, aunque hubo una época en que los proyectos fueron nacionales, ahora no podrían concebirse de ese modo, nadie puede hacerlo solo. El laboratorio y la gran máquina exceden las fronteras, por ejemplo, los 27 kilómetros que suma el túnel donde circulan las partículas atraviesa Suiza y Francia. Es el más grande del mundo, aunque hay otros colisionadores, para partículas y energías diferentes”, dice Piegaia, el científico cuyo trabajo en el Observatorio Pierre Auger fue considerado por la revista Physics World como uno de los diez grandes avances en Física de 2017.

Miles de investigadores de todo el mundo trabajan conectados a la gran red del CERN, aunque los físicos argentinos reconocen que cuando pueden pasar tiempo en las instalaciones del laboratorio en Ginebra logran avances significativos: “Como parte del consorcio tenemos tareas asignadas que debemos cumplir y llevar a cabo; cada grupo, en función del número de miembros que posee le corresponde un tipo de actividades. Por eso, tener la posibilidad de interactuar con quienes trabajamos todos los días, o con el experto que te ayuda a resolver problemas, es una gran ventaja; a veces, sin esa cercanía se hace más difícil. Además, Ginebra es la ciudad más cara de Europa, por lo que la logística es complicada, pero la idea es poder pasar allá el mayor tiempo posible. Nuestros estudiantes de doctorado van como máximo una vez por año para estadías de hasta dos meses, siempre y cuando los recursos lo permitan”.

Dame precisión te daré partículas

“El colisionador es una fábrica de partículas, la mejor que hay en este momento. Y, lo logra haciendo desaparecer energía para fabricar masa, a la inversa de un reactor nuclear”, ejemplifica Piegaia y aclara que entre las partículas que aparezcan, esperamos que no sean solo las previstas por el Modelo Estándar, que ya fueron encontradas, sino también aquellas que correspondan a nueva física. “Sin embargo, también buscamos precisión, tratamos de entender la estructura de la materia a distancias cada vez más pequeñas haciendo chocar partículas a mayor energía”.

Para poder experimentar de manera controlada con altas energías se diseñaron aceleradores, un tipo especial es el ciclotrón -o circular- donde haces de partículas se mueven por la fuerza electromagnética que ejercen los imanes. El primero fue inventado en 1930 por Ernest Lawrence con un costo de 25 dólares; el último y más colosal es el LHC y costó alrededor de diez mil millones de dólares. Es una megamáquina que provee de colisiones de protones a los cuatro detectores situados alrededor del anillo: ALICE, LHCb, CMS y ATLAS. Todos ellos funcionan de un modo similar, aunque sus tecnologías diferentes permiten favorecer algunas medidas concretas sobre otras y, así, lograr evidencias independientes de cualquier nuevo descubrimiento.

“Cada experimento tiene un propósito predominante, por ejemplo, ALICE (A Large Ion Collider Experiment) busca el estado de la materia que se cree existió en las primeras fracciones de segundo después del Big Bang; se investiga cómo reproducir ese estado original que ya no existe. Por otro lado, LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment, donde "beauty" se refiere al quark bottom), se especializa en violación de simetría CP en las desintegraciones de hadrones que contengan dicho quark o la medida de precisión de las fracciones de desintegración -branching ratios-  de algunos procesos extremadamente infrecuentes. Y, tanto ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) como CMS (Compact Muon Solenoid) fueron hechos para explorar un rango de energías más alto, podríamos decir que son dos experimentos que compiten entre sí”, dice Otero.

Gran parte del trabajo de los investigadores y de los doctorandos se engloba en la medición de precisión, son capaces de explorar entre decenas de decimales en busca de diferencias que pueden parecer sutiles pero no lo son. “En el área de Higgs -ejemplifica Otero- los resultados obtenidos experimentalmente y los predichos por el modelo estándar tienen a veces diferencias por una cuestión estadística y, en el caso de ciertos observables, una medicion de precision se lograría solo si acumulamos datos durante una década más”.

El detector ATLAS contiene cien millones de canales independientes, cada uno de ellos detecta información de 40 millones de colisiones por segundo, todos los días del año. Los programas que desarrollan para la toma de datos seleccionan automáticamente mil de esos choques por segundo -a través de complejos algoritmos- y el resto de la información se pierde para siempre. “Los eventos que resultaron ser interesantes se guardan en discos rígidos para el análisis detallado, otros programas analizan los datos guardados. Creo que el 95 por ciento del trabajo de un físico experimental de altas energías es desarrollar programas; ese es uno de los grandes desafíos que tenemos,  la masividad de datos genera varios problemas”.

“El Modelo Estándar predice, por ejemplo, que en un choque protón-protón se puede producir un quark para un lado y un fotón en una dirección diferente, con una cierta frecuencia. Una desviación respecto a esta predicción sería evidencia de la existencia de una partícula X, hasta ahora desconocida. En ese sentido, una de las últimas publicaciones fue la búsqueda de un exceso de quarks+fotones pero obtuvimos resultados negativos, o sea no encontramos evidencia de nueva física. Analizando en detalle los modelos teóricos pudimos afirmar entonces que si existiese X, su masa debería ser superior a una cierta cota MX. Si su masa fuera menor, ¡la hubiésemos observado! Es decir, aunque la búsqueda no tuvo éxito el resultado es preciso y cuantitativo, de ahí la importancia en el desarrollo de técnicas estadísticas refinadas que permitan analizar mejor los datos y correr los límites”, explica Piegaia.

Otero Y Garzón comenta que sus investigaciones abarcan áreas de nueva física y tecnología específica de los detectores: “en este momento trabajamos en procesos de choque de dos quarks que producirían una partícula mediadora de materia oscura; esto se vería como un exceso de la predicción del Modelo Estándar en eventos con tres jets. Por otro lado, publicamos estudios inherentes al detector, son papers muy técnicos del conjunto de subdetectores, como el calorímetro y su calibración entre una señal y lo que la originó, no es un trabajo trivial, requiere de mucho tiempo. Por ejemplo, DZero es un experimento del Laboratorio Fermilab, la calibración de su calorímetro tardó casi una década en transformarse en una publicación de 150 páginas. Hoy en día, uno de los estudiantes del equipo es editor responsable de la calibración del calorímetro con datos de los últimos tres años”.

Ante la pregunta de cuándo un hecho es considerado interesante, los físicos ejemplifican con la especialidad del grupo de Buenos Aires: la producción de jets, la señal experimental de quarks y gluones (las partículas intermediarias de la fuerza fuerte, así como los fotones intermediarían el electromagnetismo). Eventos con solo dos jets son muy comunes y solo se guardan unos pocos, salvo que se trate de jets de las más altas energías. Eventos con producción de tres o cuatro jets son más interesantes y se guarda una fracción mayor, mientras que aquellos con más de cuatro jets son muy esporádicos y se guardan en su mayoría pues pueden corresponder a la producción de partículas supersimétricas. En el otro extremo, los eventos monojets resultan los más interesantes, ya que puede tratarse de un fenómeno con materia oscura. Siendo menos entusiastas, reconocen que puede tratarse de neutrinos, pero es necesario guardarlos de todas maneras para investigarlos en detalle.

“Los detectores funcionan en un régimen que cambia día a día, por lo que las condiciones en que se hicieron hace una década ya no son óptimas, además de la degradación de uso, tienen una vida útil. Para 2024 va a haber un cambio severo en las condiciones de funcionamiento del acelerador que requiere que los detectores se amolden. Entonces hace varios años ya que estamos trabajando en el upgrade de ATLAS. La tecnología va hacia el gigantismo, pero también hay mucho dinero invertido en el desarrollo de tecnologías más eficientes que gigantes”, concluye Piegaia.

Los jets son la manifestación experimental de los quarks y los gluones. Midiendo la dirección y la energía del jet, se conoce la energía del quark o el gluón que lo produjo.