Esfera d’un mol de silici pràcticament perfecta que servirà per a definir el valor de la unitat de massa, el quilogram
© CSIRO - Australian Centre for Precision Optics
Aquest any va començar amb la notícia d’un experiment espectacular pel que fa al grau de precisió que s’ha assolit. Es tracta d’un experiment motivat per la necessitat de trobar un patró per a definir la unitat de massa –el quilogram– a partir de constants fonamentals que es puguin mesurar en qualsevol laboratori, en lloc de basar-se en el patró de platí i iridi que es conserva a l’Oficina Internacional de Pesos i Mesures de Sèvres, a França. El mètode que van seguir els autors d’aquesta recerca –una col·laboració entre els laboratoris nacionals d’Alemanya, el Japó, Austràlia, Suïssa, els Estats Units, Itàlia, França i Bèlgica– consisteix a construir una peça de material de composició molt pura i amb una massa coneguda, i a calcular el nombre d’àtoms que la componen. En concret, van construir una esfera pràcticament perfecta amb un mol de silici i en van mesurar el nombre d’àtoms amb un error relatiu de només 3 parts en 100 milions.
En competició amb el resultat anterior, també va aparèixer un altre resultat experimental que apunta a un mètode alternatiu de redefinició del quilogram. El mètode es basa en la utilització d’un material que presenta l’anomenat efecte Hall quàntic: a baixes temperatures i en condicions adequades, la seva resistència elèctrica és proporcional a h/e2 (en què h és la constant de Planck i e és la càrrega de l’electró), independentment del material que el compon, essent aquest darrer punt clau, si bé fins ara no s’havia verificat més que amb un nombre reduït de materials semiconductors. Dos grups d’investigació britànics, en col·laboració amb França, i Suècia, han demostrat ara que aquesta resistència és efectivament igual en l’arsenur de gal·li i el grafè, que són dos materials amb estructures internes i energètiques totalment diferents. La precisió assolida en la mesura no és suficient per a reemplaçar el patró conservat a Sèvres, però aquestes millores en el mètode permeten pensar que això serà possible a curt termini.
Mesura del moment dipolar elèctric de l’electró realitzat per Ed Hinds, de l’Imperial College de Londres
© Imperial College of London / Edward Hinds / Centre of Cold Matter
Una altra mesura de gran precisió, en aquest cas allunyada de les definicions dels patrons, és la del moment dipolar elèctric de l’electró. D’acord amb el model estàndard de la teoria de les partícules, l’electró presenta un valor molt petit per a aquesta magnitud, impossible d’observar en l’actualitat. Per contra, algunes extensions del model estàndard, com ara algunes teories supersimètriques, preveuen un valor molt més gran i mesurable. El grup del professor Ed Hinds, de l’Imperial College de Londres, va realitzar una mesura d’aquesta magnitud col·locant un conjunt de molècules ultrafredes de YbF en un camp elèctric intens, i van determinar un valor màxim possible per a aquesta magnitud, deixant molt poc espai per a les teories supersimètriques. Aquestes teories, però, no es poden descartar encara, tot i que futures millores en l’experiment sí que ho podrien fer.
Seguint amb la física de partícules elementals, ja hi ha els primers resultats del Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) de Ginebra –i els darrers del Fermilab d’Illinois– sobre l’existència i les propietats de l’anomenat bosó de Higgs, que és una partícula hipotètica que explicaria per què les partícules fonamentals –i, per tant, tota la matèria– tenen massa, d’acord amb el model estàndard. La situació actual de les mesures és fins a cert punt descoratjadora, ja que no s’ha arribat a observar cap indici d’aquest bosó en el rang de masses que es considerava més probable. Ara mateix, la seva possible massa ha quedat restringida a un interval d’entre 114 i 145 GeV/c2. Aquest rang d’energies és ric en senyals causats per altres partícules conegudes, així que identificar el bosó de Higgs requerirà una laboriosa anàlisi de les dades. El director del CERN espera poder aportar durant la tardor del 2012 proves de l’existència d’aquest bosó (i completar així el model estàndard) o de la seva inexistència, cosa que obriria les portes a noves idees sobre el funcionament fonamental de l’Univers.
Col·laborador del NIST mostrant la peça creada per realitzar l’experiment de refredar un oscil·lador nanomecànic fins al seu estat quàntic fonamental
© NIST / Burrus
En un àmbit força allunyat de l’anterior, cal destacar sens dubte el refredament d’un oscil·lador nanomecànic fins al seu estat quàntic fonamental. Des de fa alguns anys, és relativament rutinari refredar ions, àtoms o altres sistemes extremament petits fins al seu estat quàntic fonamental, que és l’estat de menor energia possible. Darrerament s’està treballant per aconseguir el mateix amb objectes molt més grans, constituïts per milions o milers de milions d’àtoms. En aquest context, cal situar els experiments realitzats al laboratori nacional NIST dels Estats Units, a Boulder (Colorado), i a l’Institut de Tecnologia de Califòrnia. En el primer, es va refredar una membrana circular d’alumini amb un diàmetre de només 15 micròmetres i un gruix de 100 nanòmetres, mentre que en el segon es va refredar una “biga” de silici d’uns 7 micròmetres de longitud. Aquestes recerques obren les portes cap a nous dispositius que acoblin sistemes quàntics amb dispositius electrònics “convencionals”, però no es pot negar una motivació fonamental molt important, que és explorar la borrosa frontera entre el món microscòpic governat per la física quàntica i el món macroscòpic.
En l’àmbit de la matèria condensada, cal mencionar dos progressos en l’estudi de les fases topològiques de la matèria, que es caracteritzen per una resiliència extrema al desordre o a altres pertorbacions, i que són de gran importància per al desenvolupament de nous materials tecnològics. El grup de M. Zahid Hasan, de la Universitat de Princeton, va descobrir, d’una banda, una nova família de materials que poden presentar fases topològiques, els anomenats compostos ternaris semi-Heusler, com ara LnPtBi o LnPdBi (en què Ln és un lantànid). També van observar directament una transició a una fase topològica en compostos BiTl(S1-δSeδ)2 a causa d’una forta interacció de tipus espín-òrbita modulable experimentalment.
Cal comentar l’intens debat sorgit arran de la informació distribuïda per la col·laboració OPERA amb relació a la velocitat dels neutrins. Aquesta col·laboració va mesurar el temps que triga un conjunt de neutrins a anar des del laboratori europeu de física nuclear a Ginebra, Suïssa, fins a la cova del Gran Sasso, Itàlia. Es tracta d’un viatge d’uns 730 km per l’escorça terrestre que els neutrins, que gairebé no interactuen amb la matèria, realitzen en uns pocs mil·lisegons. Després de tres anys recollint un gran nombre de dades i de fer-ne estudis estadístics, es va arribar a la conclusió que la velocitat mitjana dels neutrins en aquest viatge és superior a la velocitat de la llum en el buit, c. Si es confirma, aquest resultat tindrà enormes repercussions en la física teòrica, ja que la teoria especial de la relativitat prediu que cap partícula ni cap forma d’energia no pot viatjar a velocitats superiors a c. Des d’aquest anunci, fet al final de setembre, van veure la llum un gran nombre d’estudis teòrics que apunten cap a possibles deficiències en l’anàlisi de les fonts d’error de l’experiment. El debat és tan intens que la mateixa col·laboració experimental va trigar uns mesos a posar-se d’acord a enviar els resultats que tenen actualment per a publicar-los. És un tema, doncs, que caldrà seguir de prop, tant pel que fa a l’anàlisi més refinada de les dades, com a la possible repetició de l’experiment en altres laboratoris.
Pel que fa als premis Nobel d’enguany, el de física va ser atorgat a Saul Perlmutter, Brian Schmidt i Adam Guy Riess pel descobriment que l’expansió de l’Univers és accelerada, un descobriment publicat els anys 1998 i 1999. Fins llavors es pensava que l’Univers es continuaria expandint indefinidament, però a una velocitat cada vegada menor. Aquesta descoberta ha forçat un replantejament de la cosmologia i ha donat un paper clau a l’anomenada energia fosca, que constitueix el 75% del contingut de massa-energia de l’Univers i sobre la qual pràcticament no se sap res més. Val a dir que en la recerca de Perlmutter hi va col·laborar la Dra. Pilar Ruiz Lapuente, de la Universitat de Barcelona.
El Nobel de química va ser atorgat a Daniel Shechtman pel descobriment dels quasicristalls l’any 1982. Aquesta descoberta trencava amb les lleis de la cristal·lografia i demostrava que és possible tenir un sistema amb ordre de llarg abast però sense invariància translacional. La importància dels resultats, així com la forta resistència inicial de la comunitat científica a acceptar-los, es veu en el fet que no va ser fins deu anys més tard que la Unió Internacional de Cristal·lografia va canviar la definició de cristall per poder-hi incloure aquests nous materials.