Una revolució astronòmica en marxa
Gràfics de la primera detecció d’una fusió de dues estrelles de neutrons, a través dels detectors LIGO (Hanford i Livingston, EUA) i Virgo (Itàlia)
© Lawrence Berkeley National Laboratory / Roy Kaltschmidt
L’any 2016 va ser notícia l’observació d’ones gravitacionals que van fer els observatoris bessons LIGO als Estats Units. La importància d’aquest fet va ser reconeguda el 2017 amb el premi Nobel de física, atorgat als científics Rainer Weiss, Barry C. Barish i Kip S. Thorne «per contribucions decisives al detector LIGO i l’observació d’ones gravitacionals». Més enllà de premis, la revolució que aquesta observació va anunciar està prenent forma a grans passes i ja s’han registrat cinc observacions, tres de les quals aquest any. D’aquestes, cal mencionar la primera detecció de la fusió de dues estrelles de neutrons, gràcies als detectors LIGO i també al Virgo (Itàlia). El més important d’aquesta triple detecció és que va poder ser correlacionada amb un esclat de raigs gamma observat pels satèl·lits Fermi (NASA) i Integral (ESA), com també per diversos observatoris astronòmics en el rang visible. Aquest conjunt d’observacions van donar suport a la teoria que els esclats de raigs gamma s’originen en fusions d’estrelles de neutrons, i ofereix un devessall de dades noves que permetran comprendre millor l’estructura dels estels de neutrons i el procés r, que és el responsable de la formació dels elements pesants en la història de l’univers.
Dues troballes astronòmiques
L’observatori Pierre Auger, que estudia l’arribada de raigs còsmics a la superfície de la Terra, va presentar el 2017 dades sobre els raigs còsmics ultraenergètics (amb una energia per partícula superior a 8 exaelectrons-volts) que mostren una clara distribució dipolar en el seu origen. Aquesta evidència va donar suport amb força a la teoria que l’origen d’aquesta radiació rau fora de la nostra galàxia. Més concretament, a partir d’aquestes dades i aquests models de la distribució de galàxies en l’univers proper, s’ha pogut deduir que una part significativa d’aquests raigs prové d’una regió amb un radi de només 100 megaparsecs, és a dir, de l’anomenat univers proper.
D’altra banda, dos equips independents d’investigadors van analitzar imatges del fons còsmic de microones obtingudes pel satèl·lit Planck. De l’anàlisi, en van obtenir l’evidència d’una gran quantitat de matèria bariònica en l’anomenada xarxa còsmica (filaments de matèria ordinària que uneixen les galàxies). La densitat d’aquests filaments és unes sis vegades la densitat bariònica mitjana de l’univers, de manera que es pot estimar que aquesta troballa ha descobert l’origen de gairebé un terç del contingut total de matèria ordinària de l’univers. Això permet, pràcticament, donar per tancada la cerca d’una gran quantitat de matèria ordinària que els càlculs preveien des de fa dècades, però que no s’havia detectat.
Física de partícules
Pel que fa a la física de partícules, aquest 2017 en van destacar dos estudis. El primer va recollir les noves mesures espectroscòpiques de l’hidrogen fetes a Garching (Alemanya), les quals indiquen un valor del radi de càrrega del protó (0,83 femtòmetres) que discrepa notablement –més de 3 desviacions estàndards– de mesures anteriors pel mateix mètode. Aquesta nova mesura s’ajusta tanmateix a observacions de l’hidrogen muònic. L’origen de la discrepància, però, roman encara incerta, ja que no s’ha pogut determinar cap error sistemàtic en els experiments passats. Es preveu que la publicació de noves dades, en especial corresponents a experiments independents amb heli i ions moleculars, permetrà en el futur aclarir del tot el problema del protó menguant.
Interior del Reactor Neutrino Experiment Daya Bay realitzat a la Xina, que va aportar noves dades sobre l’anomalia dels neutrins
© NASA / ESA / Caltech / LIGO / Virgo
D’altra banda, els investigadors de l’experiment de Daya Bay Reactor Neutrino Experiment (Xina) van aportar noves dades sobre l’anomalia dels neutrins, és a dir, la discrepància observada, des del 2011, entre mesures experimentals i previsions teòriques en el nombre de neutrins emesos en diversos processos nuclears. Aquesta anomalia ha donat lloc a especulacions sobre la possible existència d’un quart tipus de neutrins estèrils (inobservables amb els detectors disponibles). L’anàlisi presentada el 2017 de mesures recollides els darrers cinc anys va mostrar que la fissió d’urani-235 produeix menys neutrins dels calculats, mentre que les prediccions són acurades per al plutoni-239. La teoria dels neutrins estèrils no preveu que els resultats d’aquest tipus d’experiments depengui del nucli estudiat, i això fa pensar que el que cal no és una nova família de neutrins, sinó repensar la teoria de la radioactivitat beta, responsable de la creació de neutrins en processos nuclears.
Fermions fortament correlacionats
Imatge 3D que mostra l’observació de modes quirals de Majorana (evidenciat en vermell, rosa, blau i groc) en una heteroestructura formada per un aïllant quàntic de Hall anòmal (cinta grisa) i un superconductor (barra blava)
© UCLA Engineering
En la física de la matèria condensada, cal mencionar l’observació de modes quirals de Majorana en una heteroestructura formada per un aïllant quàntic de Hall anòmal i un superconductor, per investigadors de l’equip del professor Kang Wang, de la Universitat de Califòrnia (Los Angeles). Aquests modes són l’anàleg en dues dimensions dels fermions de Majorana que poden sorgir en els sistemes unidimensionals anomenats superconductors topològics, amb la diferència que ara es tracta de modes mòbils, és a dir, que es desplacen per la vora del sistema. Això els fa atractius com a possible plataforma per a la transmissió quàntica d’informació. En efecte, el caràcter no abelià d’aquests modes, que està pendent de ser demostrat experimentalment, els fa robustos davant mecanismes de descoherència, que són un problema per a moltes tasques de processament quàntic d’informació. Finalment, la mera presència d’aquests modes indica l’existència d’una fase superconductora amb simetria p+ip, la detecció de la qual ha estat llargament perseguida.
Simulacions i comunicacions quàntiques
El 2017 es va implementar un simulador quàntic del model antiferromagnètic de Hubbard. Mitjançant un microscopi de gasos quàntics, el grup d’investigadors de Markus Greiner, a la Universitat de Harvard, va poder mesurar correlacions antiferromagnètiques en un sistema amb un centenar d’àtoms freds atrapats en una xarxa òptica bidimensional. Aquestes primeres simulacionsquàntiques d’un model paradigmàtic de la física dels sistemes fortament correlacionats van proporcionar noves dades sobre les fases magnètiques d’aquest model, especialment en el règim dopat, que és molt difícil d’explorar teòricament, i són indicatives dels avanços que aquestes plataformes experimentals han d’aportar en els propers anys per a il·luminar la física de materials més complexos, com ara superconductors d’alta temperatura crítica.
Per altra banda, els mètodes de simulació quàntica també van permetre el 2017 estudiar les primeres transicions quàntiques de fase dinàmiques. Estenent la idea clàssica de transició de fase, una transició de fase dinàmica ocorre quan les propietats d’un sistema mostren un comportament singular en un instant concret. L’observació d’aquest tipus de transicions aporta informació molt acurada sobre el sistema, per exemple els acoblaments entre els seus constituents. Doncs bé, dos equips van observar per primera vegada aquest tipus de fenomen treballant amb ions atrapats. En primer lloc, el laboratori de Christian Gross, de l’Institut d’Òptica Quàntica i Informació Quàntica (Innsbruck), va emprar cadenes de fins a 10 ions per simular el model d’Ising interactuant en camp transvers. Mesurant la magnetització del sistema un cop fora de l’equilibri, van poder observar un seguit de transicions de fases dinàmiques i, a més, les van poder relacionar amb la producció d’entrellaçament en el sistema. Poc després, el laboratori de Chris Monroe, de la Universitat de Maryland, va presentar experiments similars, però amb cadenes de fins a 53 ions, fet que constitueix un dels majors simuladors quàntics realitzats fins el moment.
En el camp de la comunicació quàntica, investigadors xinesos van aconseguir transmetre informació quàntica a una distància de 1.200 km, fent servir el satèl·lit Micius, fet pel qual van batre el rècord de distància existent, i van fer un pas enorme cap a les comunicacions quàntiques de llarga distància i la futura internetquàntica.
Comiats
Per acabar, com sempre, cal mencionar alguns dels investigadors notables que ens van deixar el 2017. Per ordre cronològic, el 5 de gener va morir Spartak Belyaev, el qual va fer contribucions de gran abast a la física quàntica de moltes partícules, i en particular a la física nuclear. El 8 de febrer va traspassar Peter Mansfield, que havia rebut el premi Nobel de medicina o fisiologia el 2003 per la seva contribució al desenvolupament de la ressonància magnètica. La professora Mildred Dresselhaus, coneguda com la reina de la ciència del carboni pel seu paper fonamental en la recerca en grafit, ful·lerens i nanotubs de carboni, va morir el 20 de febrer. El 7 de març ens va deixar Ronald Drever, un dels arquitectes de la primera detecció d’ones gravitatòries. D’altra banda, el premi Nobel de física del 2003, Aleksei Abrikóssov, va morir el 29 de març. Finalment, Nicolaas Bloembergen, premi Nobel de física del 1981 pel desenvolupament de l’espectroscòpia làser, va morir el 5 de setembre.