La misteriosa anomalia detectada al CERN apunta cap a una nova física?

Clic per engrandir. Una imatge del túnel amb el LHC. Crèdit: CERN.

Com funciona l’accelerador de partícules més gran? Actualment, a cavall entre
França i Suïssa, el Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) permet col·lisions
de protons a una energia de 13 TeV (teraelectronvolts). Descobriu com funciona
aquesta impressionant eina en vídeo gràcies al CERN. 

Diverses extensions del model estàndard, com el tecnicolor o la composició, prediuen l'existència de leptoquarks, partícules capaces de canviar els quarks en leptons i provocar la desintegració de protons. Rastrejats durant dècades, poden ser responsables de misterioses anomalies en la decadència de certes partícules observades amb el detector LHCb al CERN.

L'LHC continua la seva transformació en un camí que condueix a feixos de protons més intensos. Les col·lisions per segon seran llavors més nombroses, cosa que potser permetrà observar,  mitjançant reaccions de producció de partícules certs processos rars, que podrien delatar l'existència d'una nova física. Òbviament, el més interessant de l'LHC d’alta lluminositat projectat seria observar finalment partícules completament noves. Fins ara, hi ha hagut una gran decepció en aquest sentit. És cert que es van destacar més de 50 nous hadrons en els esdeveniments produïts durant les anteriors "tirades" de l'LHC i del CERN, fins i tot recentment, va anunciar que havia obtingut indicacions convincents a favor de l’existència de boles de gluons formades per tres gluons. Però es tracta de partícules i ressonàncies, com diuen els físics en el seu argot, que són més o menys predites pel Model Estàndard, principalment per la teoria de les fortes interaccions entre quarks d’hadrons.

Molts van creure plausible que els gegants detectors Atlas i CMS ens revelessin una nova física amb la detecció de partícules de matèria fosca. Però podria ser que la propera revolució de la física d’alta energia s’iniciï ara mateix mitjançant dades misterioses que s’acumulen en els esdeveniments estudiats per un detector de mida més modesta: el LHCb (Large Hadron Collider Beauty).

Clic a la imatge per engrandir. La teoria estàndard de la física de partícules separa les partícules elementals que formen la matèria en dues famílies: leptons i quarks. Cada família té sis partícules, agrupades en parelles o "generacions". Les partícules més estables, que són les més lleugeres, constitueixen la primera generació, mentre que les més pesades i menys estables pertanyen a la segona i tercera generació. Els sis tipus de leptons s’agrupen en tres generacions: l’electró i el neutrí de l’electró, el muó i el neutrí del muó i, finalment, el tau i el neutrí de tau. De la mateixa manera, els sis tipus de quarks s’agrupen en parelles en cadascuna d’aquestes generacions: el quark u i el quark d formen la primera generació, després vénen el quark c i el quark s i, finalment, el quark t i el quark b.© Daniel Domínguez, CERN.

Quark bellesa i l'enigma de l'antimatèria

Un dels principals objectius d'aquest detector és estudiar la física de les partícules que contenen almenys un quark "bellesa", també anomenat quark b. Es designa així un membre d’una família de sis quarks que transporta una quantitat conservada (només per la força electromagnètica i la força nuclear forta) anàloga a la càrrega elèctrica i que hom anomena bellesa. Els quarks estan connectats en el model estàndard a una altra interacció fonamental anomenada força elèctrica feble. Combina en un marc unificat la teoria de la força electromagnètica i la teoria de la força nuclear feble, responsable de la radioactivitat beta, i que també participa en les reaccions que fan brillar el Sol.

La teoria electrofeble implica l'existència de nous bosons que són cosins de fotons i que són anomenats els bosons W i Z. Uneix les partícules que són leptons, com els neutrins i els electrons, que també formen una família de sis partícules. El model estàndard prediu les reaccions de conversió i aniquilacions dels quarks en altres quarks  mitjançant l'emissió de bosons W, Z i fotons. Les reaccions amb hadrons que contenen quarks bellesa són interessants perquè estan relacionades amb el que s’anomena la violació de la simetria CP, que permet pensar en solucions a l’enigma de l’antimatèria cosmològica. Aquesta és una oportunitat per intentar entendre per què el Big Bang sembla haver deixat només matèria i no una barreja de matèria i antimatèria a parts iguals, com implica la física coneguda. 

Descobriu una presentació de la col·laboració de LHCb al Cern en aquest vídeo.
Podeu triar l'idioma de la subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Cern, YouTube

Una violació de la universalitat d'una força?

Però, avui, com els físics de la col·laboració LHCb han fet saber mitjançant un article d’accés obert a arXiv, es una violació de la universalitat leptònica que sembla apuntar el nas a la desintegració de certs mesons que contenen quarks bells.

Segons el model estàndard, les partícules amb quark b haurien de desintegrar-se amb la mateixa probabilitat en electró, muó o tauó (bé, gairebé, aquests leptons no tenen les mateixes masses, cosa que influeix una mica en les taxes de desintegració). Aquest fenomen es descriu com una il·lustració del que, per tant, s'anomena universalitat leptònica, que expressa que el  model electrofeble de Glashow -Salam-Weinberg (que porta el nom dels seus descobridors) tracta els leptons en igualtat de condicions (les seves diferències de massa són properes). Cosa similar a la llei de la gravitació universal, que se suposa que és la mateixa per a totes les partícules.

En el cas que intriga els físics de LHCb, tenim mesons B⁺ que poden desintegrar-se segons dos canals, com diem, donant cada vegada un mesó K⁺ però també un parell d’un tipus de leptó (parlem de sabors com per als sis quarks diferents) i la seva antipartícula, per exemple un muó amb càrrega positiva i negativa (K⁺ i µ + µ^-) o un parell positró-electró (K⁺ i e + e^-). Aquestes desintegracions, que impliquen la transformació d'un quark de bellesa en un quark estrany (b -> s), són extremadament rares, ocorrent a un ritme de només una desintegració del mesó B⁺ entre de dos milions.

Però els físics van acabar ressaltant-los i, sobretot, semblava haver-hi una violació de les prediccions de física conegudes a l’alçada de 3,1 sigmes, cosa que en termes de probabilitat significa que hi ha un 0,1% de probabilitats que l’efecte es degui a l’atzar.

Però, per petit que sigui aquest nombre, i que ens pugui fer creure que podem parlar de descobriment, enganya la nostra intuïció de l’atzar i de fet, és relativament habitual tenir els resultats d’experiments que semblen no ser capaços de reflectir les mesures. Els investigadors esperarien cinc sigmes a anunciar l’inici d’una revolució.

Suposem que l’efecte és real, tal com podrem esbrinar en els propers anys. Però ja ho podem explicar amb una nova física?

 Clic per engrandir. Els diagrames de Feynman associats als càlculs de la teoria
quàntica de camps descriuen com un mesó B⁺ compost per un quark u i un antiquark
bell pot degradar-se en diferents canals leptònics (leptó + el seu antileptó)
acompanyant la producció d’un mesó K⁺. El primer mostra el que s’espera del
model estàndard en física de partícules, el segon mostra la reacció amb un
leptoquark. © Cern LHCb col·laboració.

La resposta és probablement sí, i és possible que estiguem a punt de descobrir l’existència de leptoquarks.

Partícules que transmuten quarks a leptons i viceversa

Aquestes partícules porten tipus d'anàlegs de les càrregues elèctriques associades als quarks i als leptons (tècnicament, són els nombres bariònics i de leptons que es conserven durant les reaccions conegudes entre les partícules). Aquesta propietat els permet transformar-se el primer en el segon i viceversa.

Aquests leptoquarks apareixen en diverses teories proposades per anar més enllà de la teoria estàndard. Per exemple, la teoria tecnicolor i les seves variants assumeixen que el bosó BEH (sigla de Brout, Englert, Higgs) és de fet un estat compost de dues partícules unides per una nova força, anàloga a la interacció nuclear forta que uneix els quarks als hadrons, i en particular als pions, també anomenats mesons de Yukawa.

En la mateixa línia, la teoria de la composició i les seves variants postulen que tots els quarks i leptons són partícules compostes formades per partícules genèricament anomenades preons. Aquestes teories suggereixen que els leptoquarks són pesats i s'han de manifestar directament a energies d'almenys de l'ordre de TeV (mil vegades la massa necessària per crear un protó).

Fragments d’un documental sobre el premi Nobel de física Abdus Salam. Podeu triar
l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Pilgrim Film

Entre els pioners d’aquestes teories, cal esmentar Jogesh Pati i Abdus Salam que desenvoluparen una teoria que unifiqui els quarks i els leptons i les forces nuclears fortes i electrofebles a principis dels anys 70. D’aquí naixerà una segona versió de 1975, que fa intervenir una estructura composta per a quarks i leptons que per tant, deien de ser partícules elementals. Actualment, aquest treball es coneix com el model Pati-Salam.

El que és menys conegut és que el model Pati-Salam va inspirar la més famosa de les teories de la Gran Unificació (GUT), la de Georgi-Glashow basada en el grup de Lie SU(5). A Jogesh Pati també li devem la paraula "preó" per a partícules més elementals que els quarks i els leptons i les que constituirien. De nou és el model de Pati-Salam que inspirarà la més famosa de les teories dels preons, la dels rishons de Harari. Una de les conseqüències observables del model Pati-Salam és l’existència d’un bosó Z’ i sobretot per tant de leptoquarks que permetrien comprendre millor l’existència de tres famílies de leptons i quarks descrits pel model electrofeble i la famosa matriu de Kobayashi-Maskawa.

Els processos amb leptoquarks són molt rars i difícils de demostrar. Però, com que podrien provocar una desintegració del protó, s'ha intentat detectar-lo. De fet, va ser inicialment per observar aquesta desintegració que es va construir l’avantpassat del detector, el Super Kamiokande, que va permetre resoldre l’enigma dels neutrins solars. 

Creuem els dits pel LHCb i també esmenten per acabar, que el model Pati-Salam també pot derivar d’una ambiciosa teoria basada en la geometria no commutativa d’Alain Connes, però aquesta és una altra història.

Feu un viatge a 100 metres sota terra per admirar un detector de física de partícules
a mida natural. Aquest documental ofereix un recorregut per l’experiment LHCb al
CERN acompanyat d’explicacions d’experts en la matèria. ©  LHCb Experiment.

Ho he vist aquí.

Matèria i antimatèria: nous resultats sobre les seves diferències

Clic per engrandir. Al CERN la recerca continua sobre els antiprotons i als àtoms d'antihidrògen.
L'objectiu; trobar diferències entre protons i antiprotons Crèdit: agsandrew, Adobe Stock

El clip descriu la instal·lació única del CERN per a la investigació antiàtom, la fàbrica d'antimatèria, els seus dos desacceleradors (AD i ELENA) i els seus experiments.  

Al CERN, els membres de la col·laboració Base (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment-Experiment de simetria bariònica antibariònica) estan intentant descobrir diferències entre la matèria i les partícules d'antimatèria, una de les claus de la cosmologia i la física fonamental. Acaben d'obtenir nous resultats sobre la comparació dels moments magnètics de protons i antiprotons i la manera com la gravetat podria afectar d'una manera diferent la matèria i l'antimatèria.

El CERN és un expert des de fa dècades en la producció i sobretot en l'emmagatzematge a llarg termini d' antiprotons. Això li permet fer molts experiments per intentar desentranyar alguns dels trencaclosques relacionats amb el descobriment de l'antimatèria, com es veu al vídeo anterior on esmenta Alpha i Aegis per exemple. També mostra i explica que els antiprotons es produeixen a partir de nuclis d'hidrogen accelerats pel sincrotró de protons i enviats a un objectiu estacionari on les col·lisions amb altres nuclis crearan noves partícules. El model estàndard de la física d'altes energies  ens diu que durant el Big Bang s'han d'haver produït tanta matèria com antimatèria com les seves partícules components -fermions i leptons- es van submergir en un bany de fotons i altres partícules que mediaven forces, inclosos els famosos bosons de Brout-Englert-Higgs.

Aquesta mescla es trobava a temperatures molt elevades de manera que cadascuna d'aquestes partícules participava en reaccions de creació i aniquilació de les altres. Però quan l'expansió de l'espai va baixar la temperatura, les aniquilacions es van fer càrrec de les creacions i encara segons el model estàndard, les partícules de matèria i antimatèria haurien d'haver desaparegut combinant-se, quedant només fotons. Òbviament, aquest no és el cas.

Per tant, hi ha d'haver diferències entre les possibles reaccions amb partícules de matèria i aquelles amb partícules d'antimatèria, una diferència que els físics, i en particular, els de Cern rastregen amb antipartícules i fins i tot àtoms antihidrogen.

Podem recordar que amb Base (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) es tracta d'intentar descobrir diferències de comportament entre protons i antiprotons immersos en un camp magnètic. No n'hi hauria d'haver cap si el model estàndard és exacte i, en particular, segons determinades prediccions d'un teorema molt general que totes les teories de camp quàntics relativistes han de verificar fonamentalment.

Però avui, els membres de la col·laboració de Base acaben de donar a conèixer  a través d'un article publicat a la revista Nature que en augmentar la precisió de les mesures que poden fer, han assolit la sensibilitat necessària per plantejar noves limitacions al comportament de l'antimatèria, en aquest cas antiprotons, en un camp gravitatori.

Base és un dels experiments a la fàbrica d'antimatèria del CERN. La gravació del vídeo comença amb una vista aèria (amb dron) de l'edifici de la fàbrica d'antimatèria vist des de l'exterior (00'01''); el vol continua a l'interior sobre la zona experimental amb una visió general dels experiments d'Alpha i Asacusa (00'13''); finalment, el dron sobrevola l'experiment Base (00'19''), on podem veure el portaveu Stefan Ulmer (00'25'') inserint un indicador de nivell de nitrogen dins del criostat basic. Aquesta sonda s'utilitza per mesurar el nivell de nitrogen al recipient. Base utilitza nitrogen líquid i heli líquid per mantenir freda la seva Trampa de Penning, la qual cosa és necessària per evitar que els seus antiprotons s'aniquilin. Crèdit video: CERN

Una prova de 16 milions de la simetria matèria-antimatèria

De fet, els investigadors han mesurat amb una precisió inigualable les relacions entre la càrrega elèctrica i la massa (relació càrrega a massa) per al protó i l'antiprotó. Els resultats mostren que aquestes proporcions són idèntiques per al protó i l'antiprotó dins dels límits d'una incertesa experimental de 16 milionèsimes de milionèsima, tal com s'explica en un comunicat de premsa del Cern on Stefan Ulmer, portaveu de l'experiment Base, fins i tot especifica que "aquest resultat representa la prova directa més precisa d'una simetria fonamental entre matèria i antimatèria realitzada amb barions, partícules formades per tres quarks, i les seves antipartícules”.

Però, per tant, el que és realment interessant és que els investigadors van ser capaços de tenir en compte els possibles efectes del camp gravitatori no només de la Terra sinó també de les variacions d'aquest camp mentre la Terra està en òrbita a distàncies variables del Sol. Les mesures obtingudes podrien, per tant, trair indirectament un comportament diferent d'un antiprotó com el que es pretén determinar directament en altres experiments preguntant-se si un àtom d'antihidrogen cau de la mateixa manera que un àtom d'hidrogen en un camp gravitatori. Podríem veure fins i tot efectes que serien manifestacions del que podríem anomenar antigravetat amb antimatèria?

Per tant, des del desembre de 2017 fins al maig de 2019, els físics de Base van dur a terme més de 24.000 experiments, cadascun de 260 segons de durada, consistents a mesurar un moviment cíclic particular en un camp magnètic present en una trampa de partícules molt eficient anomenada trampa de Penning. Aquest moviment va afectar els antiprotons o els ions d'hidrogen negatius (per tant, un àtom d'hidrogen amb dos electrons) i va mostrar una freqüència propera a l'anomenada freqüència del ciclotró, que és proporcional a la trampa magnètica de la força del camp i la relació càrrega-massa de la partícula que s'està estudiant.

Qualsevol diferència mesurable entre les dues freqüències indicaria una diferència entre matèria i antimatèria i aquesta vegada entre el comportament dels dos tipus de matèria en un camp gravitatori que hauria de ser idèntic segons el que s'anomena "principi d'equivalència debil", de la relativitat general.

Els experiments no van mostrar res dins dels límits de les incerteses experimentals i, per tant, pel que fa al camp gravitatori, es va obtenir un nou límit per a les violacions del principi d'equivalència de l'antimatèria que Stefan Ulmer comenta en aquests termes: “Aquest límit és comparable a la precisió inicialment apuntada pels experiments que estudien la caiguda de l'antihidrogen en el camp gravitatori de la Terra. L'experiment Base no estudia directament la caiguda d'antimatèria a través del camp gravitatori de la Terra, però la nostra mesura de la influència de la gravetat en una partícula d'antimatèria bariònica és conceptualment molt similar i no mostra cap anomalia en la interacció entre l'antimatèria i la gravetat al nivell d'incertesa assolit".

                        Ho he vist aquí.

El bosó de Higgs

Tu i tot allò que t'envolta esteu fets de partícules. Però quan l'univers va començar, cap partícula no tenia massa; totes elles corrien a tota velocitat a la velocitat de la llum. Les estrelles, els planetes i la vida només podrien emergir perquè les partícules van obtenir la massa d'un camp fonamental associat amb el bosó de Higgs. L'existència d'aquest camp de subministrament de massa es va confirmar el 2012, quan es va descobrir la partícula del bosó de Higgs al CERN.

Què és el bosó de Higgs?

A la nostra descripció actual de la Natura, cada partícula és una ona en un camp. L'exemple més conegut d'això és la llum: la llum és simultàniament una ona al camp electromagnètic i un corrent de partícules anomenades fotons. En el cas del bosó de Higgs, el camp era primer. El camp de Higgs va ser proposat el 1964 com un nou tipus de camp que omple tot l'Univers i dóna massa a totes les partícules elementals. El bosó de Higgs és una ona en aquest camp. El seu descobriment confirma l'existència del camp de Higgs.

 Clic per engrandir. Vista artística del camp de Brout-Englert-Higgs Crèdit: CERN

Com obtenen massa les partícules?

Les partícules obtenen la massa en interactuar amb el camp de Higgs; no tenen una massa pròpia. Com més fort interactua una partícula amb el camp de Higgs, més pesada és la partícula. Els fotons, per exemple, no interactuen amb aquest camp i, per tant, no tenen massa. Tot i això, altres partícules elementals, incloent electrons, quarks i bosons, interactuen i per tant tenen una varietat de masses. Aquesta interacció de lliurament de massa amb el camp de Higgs es coneix com el mecanisme de Brout-Englert-Higgs, proposat pels teòrics Robert Brout, François Englert i Peter Higgs.

Clic per engrandir. Carta que mostra les partícules del Model Standard. Crèdit: CERN

Com descobrim el bosó de Higgs?

El bosó de Higgs no pot ser "descobert" o trobar-lo en algun lloc, però ha de ser creat en una col·lisió de partícules. Un cop creat, es transforma, o "decau", en altres partícules que es poden detectar als detectors de partícules.

Els físics busquen rastres d'aquestes partícules a les dades recollides pels detectors. El desafiament és que aquestes partícules també es produeixen en molts altres processos, a més a més el bosó de Higgs només apareix en aproximadament una de cada mil milions de col·lisions del LHC. Però una acurada anàlisi estadística d'enormes quantitats de dades va descobrir el feble senyal de la partícula el 2012.

Clic per engrandir. Experiment CMS al LHC del CERN el 13 de maig de 2012. Crèdit: CERN.

Com sabien els físics que era el Higgs?

El 4 de juliol del 2012, les col·laboracions d'ATLAS i CMS van anunciar el descobriment d'una nova partícula en un auditori ple al CERN. Aquesta partícula no tenia càrrega elèctrica, era de curta durada i es va desintegrar en formes que era el bosó de Higgs, segons la teoria. Per confirmar si realment era el bosó de Higgs, els físics necessitaven verificar el seu espín (el bosó de Higgs és l'única partícula que té un espín de zero). En examinar dues vegades i mitja més dades, van concloure el març del 2013 que, de fet, s'havia descobert algun tipus de bosó de Higgs.

Què hem après des del descobriment del bosó de Higgs?

Descobrir el bosó de Higgs va ser només el començament. En els deu anys transcorreguts des de llavors, els físics han examinat com interactua fortament amb altres partícules, per veure si això coincideix amb les prediccions teòriques.

La força d'interacció es pot mesurar experimentalment observant la producció i el decaïment del bosó de Higgs: com més pesada és una partícula, més probable és que el bosó de Higgs es descomposi o es produeixi a partir d'ella. La interacció amb els leptons tau es va descobrir el 2016 i la interacció amb els quarks superior i inferior el 2018. Però encara ens queda molt per aprendre sobre aquesta partícula elusiva.

Clic per engrandir. Detecció de la partícula als experiments ATLAS i CMS. Crèdit:CERN

Què cercarem a continuació?

Encara tenim molt per aprendre sobre el bosó de Higgs. És únic o hi ha tot un sector de partícules de Higgs? Ajuda a explicar com es va formar l'univers, amb la matèria triomfant sobre l'antimatèria? Obté la massa interactuant amb si mateix d'alguna manera? I per què la seva massa és tan petita, cosa que suggereix l'existència d'un mecanisme completament nou. Es podria trobar matèria fosca i altres partícules noves gràcies a les interaccions amb el bosó de Higgs?  Deu anys després del descobriment, el viatge gairebé no ha començat.

Com afecta el bosó de Higgs la vida quotidiana?

El bosó de Higgs té, i seguirà tenint, un impacte a les nostres vides, en formes que potser no s'hagin imaginat. És part de la resposta a per què nosaltres –i tot amb el que interactuem– tenim massa, alimentant la nostra curiositat humana natural sobre el nostre univers i com va evolucionar. En la recerca d'aquesta partícula, les tecnologies d'accelerador i detector es van portar al límit, la qual cosa va portar a avenços en la salut, la indústria aeroespacial i més.

Ho he vist aquí.

Dossier. 8 La infinitat de la matèria: el buit

El que es coneix directament està acabat. La idea de l’infinit sorgeix tanmateix tan aviat com pensem. Però es pot trobar l’infinit a la natura i a la física que vol representar-la? Està present a l’Univers?

La física quàntica descriu qualsevol substància (material, radiació o interaccions) com un camp quàntic. Les propietats d’aquest objecte el distingeixen d’objectes (partícules o ones) que manipula la física clàssica. Descobrim aquí la infinitat de matèria amb el concepte de buit quàntic.

"En realitat, el principi resideix en l'energia i l'energia no és res més que el principi; l’energia resideix al buit i el buit no és altra cosa que energia". Wang Fuzhi (1619-1692).

Clic per engrandir. La infinitat de la matèria: el buit. Crèdit: ESO, Wikimedia Commons, CC per 4.0

Teoria quàntica de camps i estats

Un camp quàntic s’estén necessàriament per tot l’espai. No té sentit parlar del camp només aquí o allà: ocupa, fonamentalment, la totalitat de l’espai i no es pot concebre que no sigui com a tal. A més, un control es defineix pel seu "estat". Per exemple, pot haver-hi estats de major o menor energia, estats que comprenguin més o menys partícules, estats més o menys ben situats a l’espai, etc.

Novetat fonamental de la teoria dels camps quàntics: en un estat determinat del camp, fins i tot perfectament determinat, el nombre de partícules no sempre es defineix. Això és (entre altres coses) el que prohibeix l’ús sistemàtic d’una descripció purament corpuscular de la matèria. Això reflecteix el fet que la noció de partícula és clàssica i no quàntica.

Estat fonamental o buit quàntic

Entre tots els estats concebibles d’un camp, n’hi ha un (de vegades diversos) a on l’energia és mínima. S'anomena "estat fonamental", o també "buit quàntic", fins i tot si el terme està especialment mal adaptat: aquest estat "buit" és de fet molt diferent a una absència total. La seva energia és mínima, però no necessàriament nul·la.

A més, segons la física quàntica, tot el que es pot observar fluctua, segons les relacions d'incertesa de Heisenberg. Hem de desconfiar-nos d’una interpretació que consistiria a dir que la realitat de les coses fluctua: és el que sembla mesurar (i que es vol interpretar en termes clàssics) el que sembla fluctuar.

El buit no és una excepció a aquesta regla i també fluctua. De vegades s’expressa en forma pictòrica dient que, durant un curt període Δt, és possible “demanar prestada” una quantitat d’energia ΔE per crear partícules. Com més llarg sigui el préstec, més baixa ha de ser l'energia prestada: Δt i ΔE estan lligats per una "relació d'incertesa". Les partícules poden brollar del no-res, gaudir d’una existència fugaç abans de tornar a caure en l’oblit.

El buit; partícules virtuals i estats excitats

Per tant, el buit continua sent la seu d’aquesta activitat incessant, un refugi per a aquesta multitud de partícules que s’allotgen temporalment. Tot i això, aquestes partícules no es poden detectar. Viatjant del buit al buit, es descriuen com a "virtuals". Per tant, el buit no és inert i sense propietats, sinó un ferment bombollant de partícules virtuals que vibren amb energia i vitalitat palpitants.

Al buit, els estats "excitats" s'oposen. I són les excitacions respecte al fonamental les que interpretem en termes de presència de partícules, per exemple electrons, segons la concepció ordinària. Però els antecedents de l’activitat frenètica segueixen presents; de fet, un electró es mou en un mar de partícules virtuals enredades, de totes les espècies: altres electrons, fotons, quarks, leptons, etc. La presència de l’electró pertorba l’activitat del buit i aquesta distorsió actua a canvi del propi electró. Tot plegat complica enormement la descripció quàntica que ha de tenir en compte tots aquests fenòmens.

Transformació d’un fotó en un parell electró-positró

No obstant això, la infinita diversitat d’aquestes interaccions fantasma implica infinites quantitats d’energia. L'exemple més senzill és el de dues partícules, dos electrons per exemple, que intercanvien un fotó. Entre la seva emissió i la seva recepció, aquesta interactua al llarg del camí amb altres partícules abans d’arribar a l’altre electró.

Això pot resultar en la transformació del fotó en un parell electró-positró; els membres d'aquesta nova parella poden al seu torn intercanviar un altre fotó virtual; després destrueixen generant un nou fotó, que aquesta vegada és absorbit per l'electró receptor (vegeu el diagrama de Feynman a continuació).

Diagrama de Feynman. Crèdit: DR

Quan dues partícules (aquí dos electrons que vénen de baix) interactuen, poden fer-ho "simplement", intercanviant un sol fotó (diagrama superior). Però aquest fotó es pot materialitzar per si mateix i desmaterialitzar-se al llarg del camí. Al diagrama inferior, per exemple, crea un parell electró-positró que després recrea el fotó. Si tenim en compte aquesta aventura, la descripció de la interacció dels dos electrons inicials ja no és la mateixa.

De fet, aquesta és només la "primera correcció". De fet, li poden passar al fotó històries molt més complicades que representin correccions d’ordre 2, 3, 4 ... La física quàntica requereix tenir en compte la infinitat d’aquestes correccions per al mínim càlcul. Aquesta dificultat considerable ha conduït a la incorporació de la idea de re-normalització a la física quàntica.

Aquest és només un exemple i la diversitat de possibilitats és infinita. Els intercanvis cada cop més enredats entre diferents tipus de partícules virtuals teixeixen una mena de xarxa; les partícules fantasmes van i vénen, apareixen i desapareixen en un vibrant embolic d'energia.

Com es calcula l’energia d’un electró?

La infinita complexitat d’aquesta situació sembla desafiar la comprensió i el càlcul. Sorgeixen problemes, per exemple, quan s’intenta calcular l’energia d’un electró. El càlcul directe resulta en un valor infinit: en aquest mar agitat per l’activitat del buit, l’electró s’envolta en un vel tremolant d’energia poc localitzada i que s’ha de tenir en compte.

No obstant això, el càlcul mostra que les contribucions de les interaccions que tenen lloc en aquest mantell de partícules virtuals augmenten sense límit a prop de l'electró. Problema greu, ja que significaria que l'única estimació que podem fer de l'energia d'un electró és infinita. Si voldríem admetre-ho, ens desconcertaria immediatament el següent fet: segons la relativitat, l’energia és massa; l’electró tindria, al contrari de l’experiment, una massa infinita.

Per tant, hem de trobar una desviació. Per exemple, podem comparar l’estat del camp amb un electró, ja sigui F₁, amb l’estat buit o F₀. L'energia de l'electró s'estima com la diferència entre l'energia (infinita) de F₁ i la (també infinita) de F₀. Cal tenir en compte que també es troba un problema del mateix tipus en la física no quàntica: l’electró, considerat com a partícula puntual pren, en el propi camp que crea, una energia que també és infinita. Si renunciem a considerar-ho com a puntual, tornem a la física quàntica, amb els problemes que acabem de descriure.

Capítol anterior: Matèria: l’infinit, l’extens i el continu
Capítol següent: En preparació

Ho he vist aquí.

Podem veure els neutrins del Big Bang?

Els neutrins són omnipresents a l'Univers on superen en nombre els fotons de radiació fòssil i fins i tot, amb diferència, a les partícules de matèria ordinària. Molt difícils de detectar, tot i així estem intentant estudiar els del Big Bang.

Clic a l'imatge per engrandir. El físic de Princeton Chris Tully es troba al Ptolemy Lab del Princeton Plasma Physics Laboratory. Crèdit: Elle Starkman, PPPL Communications

Blàzars, forats negres gegants que acceleren els raigs còsmics  Això és una gran primícia! Els científics han aconseguit localitzar la font d'emissió llunyana d'un neutrí d'alta energia, aquesta partícula fantasma que generalment travessa la matèria sense interactuar amb ella. Quin és l'origen d'aquest neutrí? Com es va detectar? La resposta la trobareu al vídeo.

El CMB que ens arriba avui es va emetre, no només fa molt de temps, sinó també a moltíssima distància de la Via Làctia. El seu estudi il·lustra el fet que observar més i més a l'univers és com fer una cop d'ull cada cop més endins dels estrats de la història de l'espai-temps. També podem dir, per analogia, que en el cas del CMB, s'assembla des d'aquest punt de vista a intentar veure què passa sota la superfície del Sol. De fet, en algun moment d'aquest rebobinat en el temps, el cosmos es torna tan dens i calent que els àtoms no podrien existir, impedint que els fotons es moguin lliurement. Més enllà d'això, per tant, ens és impossible obtenir informació directa. L'univers és per a nosaltres, en certa manera, opac.

Veure-hi més a fons, és a dir, realment molt més abans, és possible mitjançant l'ús d'altres missatgers i altres astronomies.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Antoine Kouchner i Stéphane Lavignac recorren la fascinant història del neutrins i ens presenten els grans experiments dedicats a aquest missatger d'allò infinitament gran i infinitament petit en un llibre publicat per Dunod i acompanyat d'aquest vídeo de presentació. Antoine Kouchner és professor de la Universitat Diderot de París i director del laboratori d'AstroPartícules i Cosmologia. També és responsable científic de la Col·laboració Internacional Antares que opera el primer telescopi de neutrins submarí, el successor del qual, KM3NeT, està en construcció al Mediterrani. Stéphane Lavignac és físic del CNRS i desenvolupa la seva recerca a l'Institut de Física Teòrica de Saclay.

Malgrat això, passa que aproximadament un segon després de l'inici de l'univers observable, en el model estàndard de cosmologia relativista, la temperatura del cosmos era de 10.000 milions de graus i la seva densitat era comparable a la de l'aigua. L'univers contenia una sopa de leptons, fotons i sobretot protons i neutrons transformant-se els uns en els altres absorbint i emetent... neutrins (aquelles partícules fantasmals l'existència de les quals havia estat predita a la dècada de 1930 pel físic Wolfgang Paulii la primera teoria del qual va ser desenvolupada per Enrico Fermi). Per sota d'aquest llindar de temperatura, que correspon a energies per als neutrins de l'ordre d'1 MeV, van deixar d'interaccionar amb els nucleons eventualment per escampar-se lliurement per l'espai.

Astronomia de neutrins, una finestra a l'univers primerenc
                     
Hi ha per tant, a més del fons difús cosmològic de fotons, una radiació còsmica de neutrins que ens donaria accés directe -si es pogués observar, mesurar i cartografiar a una imatge de l'estat de l'univers quan només eren uns pocs segons com a màxim. Aquest fons còsmic de neutrins (fons de neutrins còsmics, ja sigui CNB o CVB, llegiu C-nu-B), el podem observar indirectament a través dels seus efectes sobre la radiació fòssil com han demostrat les anàlisis recents de mesures de la missió Planck.

Però destacar-lo directament representa un repte tecnològic que els membres del Laboratori de Física del Plasma de Princeton (PPPL) intenten fer front mitjançant el projecte Ptolemy (Observatori de triti de Princeton per a la llum, el rendiment massiu de neutrins de l'univers primerenc).

De fet, els neutrins interactuen molt feblement amb la matèria quan tenen poca energia. Certament, hi ha més neutrins fòssils que fotons fòssils al cosmos. Fins i tot s'estima que n'hi ha uns 450 per cm³. Però a causa de l'expansió de l'univers i el seu refredament, la temperatura mitjana del CNB avui és només d'1,95 kelvin, una mica més freda que la del CMB (2,725 K). Per tant, estem lluny dels 10.000 milions de Kelvin inicials. A una temperatura tan baixa, els neutrins cosmològics semblaven, per a molts, esmunyedissos, ja que podien creuar de mitjana, per a cadascun d'ells, un bloc de ferro d'un any llum d'espessor!

Clic a l'imatge per engrandir. Vista del prototip de l'experiment de Ptolemy, el nom anglès del famós astrònom antic Ptolemeu. Finalment, utilitzarà 100 g de triti. Crèdit: Elle Starkman, PPPL Office of Communications.

Això sense comptar amb el progrés dels detectors de partícules utilitzant el fenomen de la superconductivitat així com amb els descobriments de les nanociències. La idea bàsica és que aquests detectors que absorbeixen una partícula que hi diposita energia s'escalfen localment i després deixen d'estar en un estat de superconductor. Això es manifesta amb un brusc salt de la resistència en un dels sensors del dispositiu.

L'experiment Ptolemeu consistirà a utilitzar aquest tipus de calorímetre per mesurar l'energia dels electrons emesos per la desintegració dels nuclis de triti dipositats sobre una làmina de grafè. La teoria de la de desintegració beta per aquest isòtop ben conegut de l'hidrogen implica que els electrons emesos no poden tenir una energia superior a un valor ben determinat. Seleccionant amb l'ajuda d'un camp magnètic, els electrons més energètics emesos pels nuclis de triti, és possible mesurar les seves energies amb un calorímetre superconductor refrigerat a una temperatura inferior a 0,1 K. Encara segons la teoria de la interacció electrofeble a la base de la de la desintegració beta, sabem que aquestes els electrons tenen una baixa probabilitat d'absorbir una part de l'energia dels neutrins del CNB. Alguns d'ells dipositaran doncs, al calorímetre, més energia de la que és teòricament possible en absència de col·lisió amb un neutrí si el sistema està prou protegit pels efectes d'un soroll de fons provocat per partícules diferents dels neutrins.

En definitiva, la distribució de les energies d'electrons mesurades per Ptolemeu hauria de mostrar la presència d'almenys un pic (un augment de la resolució mostraria tres pics associats als tres tipus de neutrins del model estàndard) per sobre del valor màxim de les energies dels electrons resultants de la desintegració beta dels nuclis de triti. L'experiment hauria de permetre mesurar indirectament les característiques dels neutrins cosmològics, com ara les seves masses i la seva densitat.

En augmentar la quantitat de triti fins a 100 grams, l'experiment de Ptolemeu es farà més sensible i potser després permetrà destacar neutrins estèrils, fermions de Majorana, en el supòsit que realment constituirien una part no negligible de la matèria fosca. Això també podria proporcionar una clau per resoldre l'enigma de l'antimatèria cosmològica.

 

Ho he vist aquí.

Les ones gravitacionals confirmen que Stephen Hawking tenia raó sobre els forats negres!

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta obra d'art imagina un seient a primera fila per veure GW250114, una potent col·lisió entre dos forats negres observada per LIGO, la Fundació Nacional de Ciències dels Estats Units. Representa la vista des d'un dels forats negres mentre gira en espiral cap al seu company còsmic. Deu anys després de la històrica detecció d'ones gravitacionals per part de LIGO, els detectors actualitzats de l'observatori li van permetre "sentir" aquesta col·lisió celestial amb una claredat sense precedents. Les dades de les ones gravitacionals van permetre als científics distingir múltiples sons subtils que ressonaven com una campana còsmica a través de l'Univers (imaginats aquí com a fils musicals entrellaçats que giren en espiral cap al centre). Tot i que només LIGO estava en línia durant GW250114, ara opera regularment en xarxa amb altres detectors d'ones gravitacionals, com ara VIRGO a Europa i Kagra al Japó. Crèdit: Aurore Simonnet (SSU/EdEon)/LVK/URI.

Existeixen realment els forats negres que s'han fet famosos gràcies a les obres i la recerca de Stephen Hawking? L'astronomia d'ones gravitacionals celebra el setembre del 2025 deu anys d'èxit des dels seus inicis. S'acaben d'anunciar dos nous resultats fascinants en aquest camp!

Recordeu, fa 10 anys, el descobriment d'una font d'ones gravitacionals que va impactar sobre la Terra el 14 de setembre de 2015, va obrir una nova era en l'astronomia.

Anomenada GW150914 (GW per a  ona gravitacional, i 150914 per a la data d'observació, 14 de setembre de 2015), correspon a la primera detecció directa a la Terra d'ones gravitacionals produïdes per una col·lisió seguida d'una fusió de dos forats negres estel·lars. Part de la massa total dels dos objectes (cadascun contenia unes 30 vegades la massa del Sol) s'havia convertit en ones gravitacionals que alliberaven en menys d'un segon 50 vegades més energia que totes les estrelles de l'Univers observable.

Si hagués estat en forma electromagnètica, GW150914 hauria aparegut més brillant al nostre cel que la lluna plena, tot i que aquesta font es troba a 1.300 milions d'anys de distància anys llum aproximadament.

Una presentació en vídeo de Virgo i la caça d'ones gravitacionals. Crèdit: CNRS.

Einstein havia predit l'existència d'un anàleg de les ones de llum en forma de vibracions i deformacions dinàmiques del teixit de l'espai-temps, corba de la seva teoria de la relativitat general en articles publicats inicialment entre 1916 i 1918. Però aquesta existència va ser posteriorment qüestionada. La primera demostració matemàtica de l'existència d'ones d'Einstein en la seva teoria va ser finalment feta per Yvonne Choquet-Bruhat a principis dels anys cinquanta. Però curiosament, calia esperar als arguments de físics avançats en particular de Richard Feynman i Hermann Bondi el 1957, per convèncer la comunitat científica.

Tanmateix, quedava detectar aquestes ones i això ja era una altra qüestió. Va caldre la feina de pioners com Kip Thorne, Thibault Damour, Alain Brillet i els difunts Rainer Weiss, Vladimir Braginsky i Ron Drever per arribar-hi, juntament amb milers de col·legues que estan darrere dels detectors d'ones gravitacionals que operen com a interferòmetres i utilitzant raigs làser als Estats Units, que tenen LIGO; a Europa, hi ha VIRGO; a Kamioka, prefectura de Gifu, Japó, hi ha KAGRA.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. En aquest vídeo, diversos membres clau de la col·laboració LIGO, que inclou investigadors de Caltech i MIT, parlen sobre el descobriment de les ones gravitacionals. Entre ells hi ha Kip Thorne, el teòric, i Rainer Weiss, l'experimentador que hi ha darrere de LIGO. Crèdit: Caltech, YouTube.

Els membres combinats del que es podria anomenar la col·laboració LVK (LIGO, VIRGO, KAGRA) han anunciat recentment que caldrà una dècada de millora d'aquests detectors per fer-los més sensibles i progressar en les tècniques d'anàlisi dels senyals observats, sobretot gràcies a la IA, els havia permès obtenir resultats espectaculars. Aquests avenços es refereixen a una font detectada el 2025, força similar a la del 2015, és a dir, una col·lisió de dos forats negres que contenien unes quantes desenes de masses solars cadascun i anomenada GW250114.

Aquest treball es presenta en un article publicat a Physical Review Letters, una versió d'accés obert del qual també existeix a arXiv.

Els forats negres tenen entropia?

Per fer una breu presentació d'aquests resultats, cal saber que des de la dècada del 1960 fins a la del 1970 el concepte modern de forat negre i els seus desenvolupaments van conduir a l'admissió que els forats negres es poden formar mitjançant col·lapse de les forces gravitacionals de les estrelles havien de ser descrites exactament mitjançant una solució d'equacions de la relativitat general d'Einstein, descoberta el 1963 pel matemàtic neozelandès Roy Kerr.

Però no podíem estar segurs que els forats negres existissin realment. Els objectes que semblaven ser forats negres potser simplement eren una mica...exòtics i molt densos, però no realment forats negres. Però com saber-ho, sobretot tenint en compte que érem ben conscients que hi ha alternatives a la teoria d'Einstein com a teoria relativista de gravitació amb un espai-temps corbat?

Stephen Hawking havia demostrat, però, en un article publicat el 1971 que, dins del marc de la teoria d'Einstein, si poguéssim tenir fusions de forats negres, mai no podríem tenir divisions d'un forat negre en diversos. Millor encara, la fusió de dos forats negres hauria de donar un nou forat negre, la superfície de l'horitzó d'esdeveniments (una superfície fictícia que es comporta com una bombolla que envolta una regió que constitueix un forat negre i que teòricament només es pot travessar en una direcció, la que porta a entrar en un forat negre) havia de ser més gran que la suma de les superfícies dels horitzons dels dos forats negres anteriors.

El 1972, mentre pensava en les possibles connexions entre la física dels forats negres i la noció d'entropia en termodinàmica mitjançant la noció d'entropia estadística de Shannon - Von Neumann vinculada a la teoria de la informació i seguint el suggeriment de John Wheeler, el físic Jacob Bekenstein va deduir que l'horitzó d'esdeveniments d'un forat negre mesurava la pèrdua d'informació sobre un objecte que entrava en un forat negre per a un observador extern. Per tant, podríem parlar de l'entropia d'un forat negre en relació amb la mida de la superfície de l'horitzó. Millor, el teorema de la teoria de Hawking sobre el creixement de l'àrea d'un forat negre va ser finalment interpretable com una manifestació de la famosa segona llei de la termodinàmica amb la seva llei del creixement de l'entropia.

Clic a la imatge per engrandir. Crèdit: X, Physical Review Letters.

Hawking tenia motius per creure que això era fals. Amb els seus col·legues Brandon Carter i James Bardeen, finalment va aprofitar el 1972 una sessió a la famosa escola Les Houches fundada per Cécile-DeWitt Morette per desenvolupar la seva teoria amb creixement d'àrea, tot argumentant que no es podia interpretar com pretenia Bekenstein. En això, s'equivocava, com descobriria quan descobrís la seva famosa teoria de la radiació quàntica dels forats negres.

Resulta que avui dia les anàlisis del senyal de GW250114 (a més a més molt millor detectat que fa 10 anys) s'han tornat molt més precises en comparació amb les del senyal de GW150914 que astrofísics van poder veure que el teorema de Hawking estava perfectament verificat!

Però hi ha més. Quan dos forats negres es fusionen, l'objecte resultant encara no està en la seva forma estable; el seu horitzó es deforma i vibra com la superfície d'una campana tocada. Per assolir la seva forma estable, és a dir, la descrita per la solució de Kerr per a un forat negre en rotació, ha d'emetre ones gravitacionals que continguin harmònics fonamentals (anomenats "tons" en anglès) i els seus múltiples per enters (anomenats "overtones" en anglès). Matemàticament, en l'argot dels físics, tenim en certa manera la descomposició de Fourier dels espectre d'ones dels factors exp (-at) d'amortiment  de l'amplitud de l'ona amb termes harmònics de la forma exp (ibt).

Resulta que l'existència d'un forat negre real descrit per la solució de Kerr prediu els factors i constants anteriors. Certament depenen de la massa i del moment angular descrivint la rotació del forat negre pertorbat amb vibracions d'amortiment, però són característiques de la presència d'aquest tipus de forat negre.

Aquí teniu el resultat més espectacular. Per primera vegada, alguns dels harmònics de la teoria s'han demostrat fermament. Això reforça la nostra confiança en la teoria dels forats negres basada en les equacions d'Einstein i, per tant, indirectament també amb el resultat sobre l'àrea, la nostra confiança en la teoria de Bekenstein i Hawking de l'entropia dels forats negres.

Ara teniu una presentació més tècnica i detallada del que hi ha darrere dels resultats relacionats amb l'espectre de la radiació d'ones gravitacionals en  relació amb l'horitzó d'esdeveniments en el senyal de GW250114.

Clic a la imatge per engrandir. Tullio Regge (1931-2014) va ser un físic teòric italià. És responsable d'una important tasca en física de partícules elementals (pols de Regge) i relativitat general. Va ser un dels pioners d'un enfocament quàntic de la gravetat (càlcul de Regge), que més tard es vincularia a la teoria de la gravetat quàntica de bucles. Amb John Wheeler, va establir les bases de la teoria de pertorbacions dels forats negres de Schwarzschild, que conduiria al descobriment dels seus modes quasi normals. Crèdit: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Forats negres que vibren quan xoquen

Els físics i matemàtics relativistes defineixen els forats negres només com a objectes que ocupen una regió tancada de l'espai-temps de la qual res no pot escapar a causa de la naturalesa finita de la velocitat de la llum: l'horitzó d'esdeveniments. És la presència d'aquest horitzó, i res més, el que defineix un forat negre, ni tan sols la presència d'una singularitat amb densitat i curvatura infinita de l'espai-temps al seu centre, cosa que, a més, és dubtosa a causa dels efectes quàntics.

Van demostrar a partir d'aquesta definició que només existeix una família de solucions necessàriament rigorosament exactes a les equacions d'Einstein que descriuen un forat negre. Aquesta família depèn només de la massa, el moment angular i, possiblement, de les càrregues elèctriques o fins i tot magnètiques de les partícules absorbides i res més. Aquest és el teorema de la unicitat dels forats negres, més sovint conegut com el teorema de la calvície per als forats negres, en anglès el famós "no-hair theorem".

Concretament, al camp de l'astrofísica on totes les estrelles giren i on naturalment esperem la formació de forats negres, els més simples no tenen rotació i només tenen massa, els forats negres de Schwarzschild; i els més realistes també giren, els forats negres de Kerr.

En teoria, no recorden les diferents característiques dels objectes de la mateixa massa i moment angular que cauen en aquestes regions particulars de l'espai-temps. En particular, oblidem els nombres quàntics normalment conservats i associats amb barions i leptons, que potser encara juga un paper misteriós en la solució de l'enigma de l'absència d'antimatèria en cosmologia.

La superfície de l'horitzó d'esdeveniments d'un forat negre, ja sigui de Schwarzschild o de Kerr, és perfectament llisa i esfèrica (d'aquí la relació amb el terme calvície), però es deforma temporalment, tornant-se irregular quan un forat negre absorbeix un objecte, per exemple un asteroide, o durant una col·lisió amb un altre forat negre.

Clic a la imatge per engrandir. L'obra més famosa del físic indi CV Vishveshwara (1938–2017) és el descobriment dels modes quasi normals en els forats negres. El 1970, va demostrar que un forat negre de Schwarzschild pertorbat per un pols de radiació gravitacional tornarà al seu estat original emetent ones gravitacionals d'una forma característica determinada pel que s'anomena modes quasi normals. Les freqüències (complexes) d'aquests modes quasi normals per als forats negres de Schwarzschild són independents de la forma d'aquesta pertorbació i es caracteritzen completament per la massa del forat negre. Més tard, aquest resultat es va generalitzar al cas dels forats negres de Kerr en rotació. Els modes quasi normals són aleshores funcions de la massa i del moment angular propi, l'espín, del forat negre. L'observació dels modes quasi normals es considera un mitjà per establir l'existència de forats negres. Crèdit: International Centre for Theoretical Sciences, Bengaluru.

Modes quasi normals característics dels forats negres

Aquesta última situació és molt interessant perquè la col·lisió i la fusió de dos forats negres en forma un altre. Aquest forat negre recentment format, de nou, no té un horitzó d'esdeveniments regular. Les equacions d'Einstein són doncs formals, això no pot durar i, molt ràpidament, la superfície de l'horitzó vibra com ho faria una campana sota l'efecte d'un cop.

Existeixen aleshores, el que s'anomena en ambdós casos, modes quasi normals per a aquestes vibracions que s'esmorteiran, sota l'efecte de l'emissió d'ones gravitacionals en els primers casos, i amb emissions sonores per a una campana. L'efecte d'amortiment farà que el forat negre, després d'una fusió, prengui la forma exacta descrita per la famosa mètrica de Kerr per a un forat negre sense càrregues giratòries.

Com que aquests modes quasi normals tenen freqüències determinades per la teoria dels forats negres, fixat per la massa i l'espin del forat negre final, fent que el seu descobriment en l'espectre de les ones gravitacionals seria una prova molt convincent de l'existència d'un horitzó d'esdeveniments i, per tant, de l'existència de forats negres... però amb la condició que les freqüències trobades (altres astres compactes amb modes quasi normals sense horitzons d'esdeveniments són possibles) són precisament els que es dedueixen de les solucions pertorbades que descriuen els forats negres.

Clic a la imatge per engrandir. Saul A. Teukolsky (1947-) és un astrofísic relativista d'origen sud-africà especialitzat en la resolució numèrica de les equacions d'Einstein aplicades a la física dels forats negres i les estrelles de neutrons, en particular amb el fenomen de l'emissió d'ones gravitacionals, les formes de les quals modela per a la detecció amb instruments com LIGO i VIRGO. També és conegut pel seu treball sobre les pertorbacions de la solució de Kerr per a forats negres en rotació, mentre completava la seva tesi sota la supervisió del guanyador del Premi Nobel Kip Thorne. Crèdit: 2019 Universitat Cornell.

Recordem que les equacions de la teoria de la relativitat general no són lineals. Per tant, són molt més difícils de resoldre que en el cas de les equacions lineals i de vegades requereixen l'ús de simulacions numèriques en ordinador. Aquest no és un cas únic, les equacions de Navier-Stokes en mecànica de fluids, també no lineals, es poden utilitzar per exemple analíticament per descriure el moviment de petites ones a la superfície de l'aigua. Aleshores es pot aplicar el mètode de pertorbació, un mètode que també s'ha aplicat en el règim lineal per descriure com es comporten els forats negres quan estan sotmesos a efectes de baixa intensitat. Però en altres situacions, l'ús d'un ordinador esdevé necessari.

L'estudi dels modes quasi normals és un tema de recerca important perquè s'han proposat alternatives als forats negres, com ara els gravastars, per explicar objectes observats en astrofísica, com ara Sgr A* o M 87* , que semblen comportar-se com a forats negres fins a cert punt.

És precisament, en part, en un intent de posar fi al debat sobre l'existència real dels forats negres que es van dissenyar i llançar els projectes de detectors d'ones gravitacionals LIGO, VIRGO i eLisa.

Per saber-ne més

El britànic John Michell (1783) i el francès Pierre-Simon de Laplace (1796) van preveure el concepte de forat negre ja a finals del segle XVIII quan consideraven la velocitat d'escapament màxima d'un cos d'una massa i un radi determinats. La qüestió era natural perquè, en aquell moment, el model corpuscular dominava la concepció de la llum i també se sospitava que la matèria estava feta de partícules. Si la velocitat d'escapament d'un cos d'aquest tipus superava la velocitat de la llum, per tant, necessàriament havia de ser perfectament negre perquè cap radiació no en podia escapar.

La idea només tornaria a la vida durant la segona meitat del segle XX, amb el descobriment de la teoria de la relativitat general i el de la famosa solució de Schwarzschild, la naturalesa física de la qual, així com l'estructura matemàtica, només es va començar a comprendre durant les dècades del 1950 i del 1960. L'aparició de la teoria ondulatòria moderna de la llum, després del treball de Young, Fresnel i, per descomptat, Maxwell al segle XIX, no implicava de fet cap acció de la gravitació sobre la llum, a diferència de les partícules de llum de Newton que descrivien trajectòries en forma de raigs de llum segons lleis anàlogues a les de les partícules materials.

Igual que Einstein i altres, el físic John Wheeler es va mostrar inicialment escèptic sobre l'existència del que ell mateix va anomenar un forat negre el 1967 i que estava implícit en la solució de Schwarzschild. Va canviar d'opinió a principis dels anys seixanta i, amb els seus col·laboradors, es va unir a l'escola britànica dirigida per un antic estudiant de doctorat de Paul Dirac, Denis Sciama, i els seus estudiants (Roger Penrose i Stephen Hawking ), així com a l'escola russa dirigida per Yakov Zeldovich i Igor Novikov, en l'exploració de la teoria dels forats negres durant el període comprès entre 1963 i 1973, un període anomenat des de llavors l'edat d'or de la teoria dels forats negres. Es pot rastrejar des del descobriment de la solució de Kerr que descriu un forat negre en rotació fins al descobriment de la radiació dels forats negres per Hawking.

Ho he vist aquí.