Formación en el CERN 2013

Formación en el CERN 2013

El programa de formación de la Comunidad de Madrid para profesores de Física y Química

  1. Curso en el CERN para profesores de Física y Química de la Comunidad de Madrid: gestiondgmejora.educa.madrid.org/cern/
  2. 24 profesores de Madrid el el Spanish Physics Teachers del CERN: indico.cern.ch/conferenceDisp…
    Poyekhali! | Поехали!
  3. Justo después de la introducción en el auditorio principal del CERN, los profes de Madrid ya están trabajando… twitter.com/fbarradass/stat…
  4. Mick Storr tratando de convertir a los profesores en factores multiplicativos… twitter.com/fbarradass/stat…
  5. Esto se pone serio: primera lección de Javier Barranco sobre aceleradores twitter.com/fbarradass/stat…
  6. Todos haciendo fotos a la bombona de hidrógeno antes de saber que es falsa. @JaSantaolalla ¡no se lo digas! twitter.com/fbarradass/stat…
  7. No me digáis que no os traemos conferenciantes de postín como Álvaro de Rújula: books.google.ch/books?id=D2NXK… twitter.com/fbarradass/stat…
  8. Y después de Álvaro de Rújula, a trabajar más: recopilando las dudas y preguntas de Mick twitter.com/fbarradass/stat…
  9. El día termina con una cervecita en Charly’s (St. Genis). Sólo son 3,5 km. twitter.com/fbarradass/stat…
  10. Hoy nos están siguiendo las cámaras por todas partes, ¿por qué sera? twitter.com/fbarradass/stat…
  11. @JaSantaolalla ¿Listo? Como diría Mick: Poyekhali! | Поехали!
    images-00.delcampe-static.net/img_large/auct…
  12. Ahora un repaso cronológico del segundo dia del Spanish Teachers Programme 2013 del @CERN. Primero Diego Blas Temiño twitter.com/fbarradass/stat…
  13. Luego el café y de fondo @CMSexperiment, aunque por ahora sólo es una foto de tamaño natural twitter.com/fbarradass/stat…
  14. Ahora Luis Álvarez Gaumé.
    ¡Qué bueno! El no forma parte del “lado oscuro” y eso que le habéis frito a preguntas… twitter.com/fbarradass/stat…
  15. ¡Qué guapos están los profesores de la Comunidad de Madrid en el centro de visitantes de @ATLASexperiment! twitter.com/fbarradass/stat…
  16. Llega el momento de hacer una cámara de niebla (i-cpan.es/concurso/ganad…). Mira qué bonita es la mía… twitter.com/fbarradass/stat…
  17. Haced caso a Mick, él sabe lo que dice: ¡MÁS ALCOHOL! twitpic.com/cz6soa
  18. Después de un muy largo día, nos vamos a cenar a Ferney – Voltaire twitter.com/fbarradass/stat…
  19. Lidiar con las maquinitas del @TPGeneva NO es fácil. Vuelta a cada en el Y de las 22:33 twitter.com/fbarradass/stat…
  20. Y el día se acaba con una visita al sitio where the web was born: el despacho que fue de Tim Berners-Lee twitter.com/fbarradass/stat…
  21. 1. Multiplicative Factors
    2. Ambassadors for Science, Physics, Part. Phys., and CERN, y ahora
    3. Accelerating Science twitter.com/fbarradass/stat…
  22. Pero antes, la segunda sesión de Diego Blas. Tan interesante que Mick Storr ha tenido que cortarla. twitter.com/fbarradass/stat…
  23. ¿Sabéis que el Dr. @JaSantaolalla, además de ser un físico majo y competente, del CMS y del Madrid es miembro fundador de @TheBigVanTheory?
  24. @JaSantaolalla ¡MUY BIEN! Justo lo que los profes necesitan: más que divulgación y a su alcance. ¡Sigue así! twitter.com/fbarradass/stat…
  25. @CPAN_Ingenio Mirad donde están esta semana 24 profes españoles de física (y q) de instituto: indico.cern.ch/conferenceDisp… twitter.com/fbarradass/stat…
  26. Miércoles por la tarde: “La caza del tesoro”, un paseo por Ginebra twitter.com/fbarradass/stat…
  27. Y al final, el CERN nos invita a cenar… y a bailar twitpic.com/czen0y
  28. Jueves, cuarto día completo: empieza Miguel Ángel Marquina twitter.com/fbarradass/stat…
  29. Javier Barranco /2. Ahora sobre las aplicaciones de los aceleradores… twitter.com/fbarradass/stat…
  30. PERO entre tanto, Swiss ha arreglado algunos y cinco nos daremos una vuelta por Frankfurt antes de ir a Madrid twitter.com/fbarradass/stat…
  31. Tras un día de mucha tensión por las cancelaciones de vuelos aún hay energía para rellenar las encuestas de Ángelus twitter.com/fbarradass/stat…
  32. Primero se sienta aquí Peter Higgs el 4 de Julio de 2012 y ahora el Superman de los profes de Madrid: ¡Raúl! twitter.com/fbarradass/stat…
  33. Y aquí estos sacándome los colores, también en el auditorio principal. twitter.com/fbarradass/stat…
  34. Un día muy largo termina en el pub de CERN (así lo llaman mis colegas) twitter.com/fbarradass/stat…
  35. El principio del final, ¿o será el fin del principio? Ya veremos más tarde… twitter.com/fbarradass/stat…
  36. Jacobo, este venezolano de Isolde, bikes to work. Aquí está guiándonos por SM-18 twitter.com/fbarradass/stat…
  37. El miércoles, con Gargamelle, pocas antes de que comenzaran los lios… twitter.com/fbarradass/stat…
  38. Discurso de Mick en el CCC: por qué os traemos aquí (inspiring the new generation…) twitpic.com/czq6an via @TwitPic
  39. Volviendo al viernes por la mañana. SM-18, buena visita para los que enseñamos física. twitter.com/fbarradass/stat…
  40. Reanudando el orden cronológico, foto en la piedra de la ley, en CCC, la penúltima visita twitter.com/fbarradass/stat…
  41. Clase y examen de física de Mick en una sala de reuniones del CCC. twitter.com/fbarradass/stat…
  42. Este el es Centro de Control del CERN, desde donde se controla toda la cadena de aceleradores twitter.com/fbarradass/stat…
  43. Hacia la última visita, el centro de control del experimento AMS, que está en la estación espacial internacional twitter.com/fbarradass/stat…
  44. Maureen Prola-Tessaur:
    cuánto nos has ayudado. Qué comprensión, que paciencia, qué eficacia… twitter.com/fbarradass/stat…
  45. Y esta es la última: ganadores de la gymkhana Madrid-CERN-Madrid (los primeros en llegar salieron antes de tiempo) twitter.com/fbarradass/stat…
  46. Gracias a todos. Descansad y cuidáos.
    Nos vemos en “Après CERN”
    Besos y abrazos de Paco twitter.com/fbarradass/stat…

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Cuidadito con las analogías (1)

Introducción a la serie: NO se trata de prohibir el uso de las analogías (¡qué íbamos a hacer entonces los que no somos expertos y aun ellos!) sino, eso, de tener cuidadito… Sobre todo si eres profesor o divulgador, es tu obligación, creo, conocer sus límites.

Los quarks no son bloques de Lego que se unen para formar partículas

Yo -que soy profesor de Física y Química en Secundaria- creo que es un escándalo que a estas alturas a (muchos) alumnos de 3º de E.S.O. se les enseñe que mediante los experimentos de Rutheford se descubrió el núcleo atómico y también que dentro hay protones y neutrones de modo que parece que protones, neutrones y electrones son partículas elementales, o incluso las partículas elementales de las que todo está hecho…

Ante eso, lo primero que se me viene a la cabeza es que tiene narices que (si se cree que hay que hablar de tales cosas en 3º de E.S.O.) no se vaya un pasito más allá y se explique que justamente mediante el mismo tipo de experimentos (dispersión de partículas) se descubrió hace ya bastante (más de treinta años) que igual que dentro de los átomos había “algo duro y pequeño” (el núcleo), dentro de los protones también; los quarks (cuyo solo nombre no nos ha de asustar).

Ahora vas y dices que las partículas elementales, entre ellos los quarks, son las piezas más básicas de las que todo está compuesto y no es raro caer en la analogía del Lego

El Universo y los bloques fundamentales de los que todo esta hecho. Figura obtenida mediante el programa “Lego Digital Designer”, de Lego ©

Pues bueno, para empezar la dispersión del experimento de Rutherford (dispersión elástica de partículas alfa) NO es igual que la de los experimentos de dispersión inelástica profunda de electrones que Friedman, Kendall y Taylor llevaron a cabo entre 1966 y 1978 (aquí se explica muy bien en inglés, estos lo comparan con lo de Rutherford y esto otro, en español, hay que leerlo con más precaución).

Aún peor es la analogía de las partículas elementales con bloques de una construcción; el modo en el que un protón está compuesto por quarks es infinitamente más dinámico que lo sugerido por esa analogía. Veamos dos muestras (relacionadas):

  • La masa del protón y la masa de los quarks

http://www.frankwilczek.com/Wilczek_Easy_Pieces/342_Origin_of_Mass.pdf

http://www.aip.org/pt/nov99/wilczek.html

  • El misterio del spin del protón

http://www.isgtw.org/feature/case-missing-proton-spin

http://www.symmetrymagazine.org/breaking/2011/06/07/the-case-of-the-missing-proton-spin/

Yo encargué y utilizo la siguiente imagen del átomo de hidrógeno (¡no a escala!) que también usa en sus charlas algún profesional de la física.

El átomo de hidrógeno (no a escala) con un núcleo compuesto por tres quarks (uud) unidos por gluones (g). El electrón y el núcleo están ligados mediante fotones (γ). Dibujo de Alberto Izquierdo Adeva (de aquí)

Pero hay gente más cuidadosa, como los físicos del laboratorio DESY en Hamburgo que usan esto (donde, además de los tres quarks de valencia, aparecen los gluones y pares quark – antiquark virtuales, etc.):

Fuente: DESY (Hamburgo)

e incluso esto, con spines y todo:

Fuente. DESY (Hamburgo)

Aún más. Todas esas partículas salvo los tres “quarks de valencia”  y los electrones son virtuales, concepto notablemente resbaladizo (leer esto, por ejemplo, o esto, donde dice “Virtual Particles: Not Particles At All”. En castellano se puede leer esto que está en un artículo de Francis Villatoro muy interesante sobre Mitos del bosón de Higgs ).

Y teniendo todo eso en cuenta, ¿hay que usar la analogía?

Para empezar la discusión, aquí hay un enlace con más información.

Esta vez parece que no, pero cuando pase algo gordo, ¿cómo nos vamos a enterar?

Donde nos se refiere a los que no estamos metidos en el ajo aunque seamos más o menos aficionados (o profesionales, pero de otra cosa; como la enseñanza secundaria, en mi caso)

Según dice Peter Woit, parece que esta vez tampoco ha habido un gran descubrimiento en física de partículas. El “pico”  aparecido en los datos del detector CDF del acelerador Tevatron en Fermilab (que llegó al New York Times  y del que hablé aquí y aquí) no sería confirmado mañana (10 de junio e 2011)  en un seminario en el que se van a presentar datos relevantes por parte de DØ, el otro detector del Tevatron (si lees los comentarios a la entrada del blog de Woit verás que es más complicado que eso, pero bueno…).

ACTUALIZACIÓN (10 DE JUNIO, 2011): Ya es oficial: DØ no ve nada que no sea consistente con el modelo estándar y así es como lo cuenta Ian Sample en The Guardian (este peridista científico es autor de Massive, un muy buen libro de divulgación sobre física de partículas). Más detalles en los sitios de siempre (Dorigo, Jester) y en esto, del mismo Fermilab. En español está Francis.

Ahora se tienen que sentar los de CDF y DØ a encontrar el origen de esa discrepancia, probablemente relacionada con lo complejo que es analizar estos datos experimentales y sacar resultados, tal como cuenta aquí Pauline Gagnon, del experimento ATLAS.

Y ahora, una pregunta interesante para los aficionados, pero también para profesores, cuya obligación (e inclinación, en mi caso) no se limita a enseñar una serie de contenidos establecidos. También incluye el hacer ver a los alumnos que se sigue haciendo ciencia ahora mismo y hablar sobre cómo se hace (desde la elección de temas a investigar, la financiación, el personal…) y cómo se discute, comunica y valida. Todo ello, lo sé bien, muy complicado y muy  lejos de las tristes menciones al método científico de manual:

Cuando pase algo gordo, ¿cómo nos vamos a enterar?

Pues parece que a través de los blogs de físicos de partículas profesionales  y aficionados más o menos próximos (a menudo gente con formación científica que se ha dedicado a otras cosas…) en los que a menudo se recogen rumores del mundillo. Algunos de esos blogs (que no voy a clasificar pues no siempre sabría) son A Quantum Diaries Survivor (de Tommaso Dorigo), Not Even Wrong (Peter Woit), Résonaances (Jester), viXra log (Philip Gibbs)… Para leer algo de eso en español conviene estar atentos a Francis (th)E mule Science’s News y a Ciencia Kanija.

Respecto al CERN, dice James Gillies, su jefe de prensa que ellos no van a filtrar noticiones (aunque lo puedan hacer miembros particulares de los experimentos). Por curiosidad, hablemos un poquito de lo que pasó allí la última vez que hicieron un descubrimiento gordo, gordo, el de las partículas W y Z, mediadoras de la interacción débil.

Por ejemplo, aquí nos cuentan la (versión oficial de la) historia, que terminó en la bonita rueda de prensa de la foto de más abajo (qué gran ocasión para leer Nobel Dreams; se non è vero, è ben trovato)

Conferencia de prensa para anunciar el descubrimiento de la partícula W el 25 de enero de 1983. Fuente: CERN

Aunque con toda seguridad en aquellos tiempos los humanos eran parecidos (y por tanto había rumores, cotilleos, papeles olvidados causalmente en lugares estratégicos…) lo que no había era una internet como la de hoy con sus blogs y sus blogueros, su twitter y sus twitteros.

Una cosa que merece estudiar es si entonces había, y en qué medida hay ahora, lo que en inglés se llama hype y que se podría traducir como circo mediático (a escala, claro). Afortunadamente, hasta llegar a los extremos de la vida de arsénico aún falta mucho…

¿Una nueva partícula descubierta en CDF?

Estamos hablando de “cazar picos” [e intentando ver si podemos aprender algo de física de partículas en el instituto] y, a lo mejor, los físicos del detector CDF en el acelerador Tevatron han cazado uno, y sería una presa bien gorda…. El pico que presentaron hace como un mes no sólo no se desvanece, sino que se hace más fuerte…

ACTUALIZACIÓN: Pero luego (el 10 de junio) van los del otro experimento del Tevatron, DØ, y dicen que ellos no ven nada… Más detalles aquí, aquí y aquí y la gráfica correspondiente más abajo. Merecerá la pena hablar de los posibles motivos de la discrepancia (todo esto que nos pueden parecer “datos experimentales” lo son, pero no tan “limpios” como nos podemos creer, ya que siempre implican el uso de modelos, para empezar…).

Distribución de masa invariante para parejas de jets producidos en asociación con una partícula W. Fuente: Colaboración CDF, 30 de mayo de 2011

En el apéndice 2.1 de ¿Cómo saber si se ha descubierto una partícula? ya hablaba de esta posible nueva partícula. Con los nuevos datos que hay casi un més después (más sucesos estudiados en CDF) la posibilidad de que se trate de una fluctuación aleatoria ha disminuido bastante (con pocos datos una desviación al azar es más probable que con muchos).

Tras las noticias de hace un mes en CMS y ATLAS (y supongo que en DØ) ha habido gente que ha dejado lo que estaba haciendo para ponerse a toda prisa a analizar sus datos de W + 2 jets. Parece que no han visto nada raro, de momento.

Nos lo cuentan aquí, aquí (traducido aquí al castellano por Kanijo) o aquí, pero todavía no hay que lanzar las campanas al vuelo, que bien podría ser un problema con los modelos que se usan para el fondo (que, restado a los datos “brutos” daría lugar al supuesto pico; ver esta explicación de Francis). Aquí hay más información en castellano, también de Francis y este es otro enlace interesante (en inglés).

A continuación la gráfica correspondiente al análisis de DØ. La línea de puntos un poco por debajo de 150 GeV es la señal de CDF y ahí no hay nada…

Distribución de masa invariante para parejas de jets producidos en asociación con una partícula W. Fuente: Colaboración DØ, 10 de junio de 2011

 

¿Cómo saber si se ha descubierto una partícula? (Parte 5)

El ejercicio J/psi de CMS en las masterclasses internacionales de física de partículas, un vistazo rápido.

Cuando se hacen chocar haces de protones de alta energía como en el LHC, uno de los resultados es la producción de gran número de nuevas partículas (recordad E = mc²). Entre ellas está la \mathsf{J/\psi}.

En este ejercicio e trata de comprobar que a partir de los datos reales tomados por el detector CMS del acelerador LHC del CERN podemos encontrar la \mathsf{J/\psi}. Esto sirve para ver que el detector funciona bien y calibrarlo. Los físicos de CMS han analizado estos datos -aunque no en nuestra versión simplificada, claro está- justamente para eso (ver esto y esto otro para empezar).

Partimos del hecho de que los sucesos con dos muones son interesantes; así lo dice la experiencia. Sin ir más lejos, un pico en la producción de pares de muones de signos opuestos fue uno de los caminos por los que Richter y su equipo descubrieron esa misma partícula J/psi .

Este es nuestro plan (los detalles después, poco a poco):

1. Seleccionar sucesos candidatos, es decir que tengan pares de muones que puedan provenir de la desintegración de una partícula neutra como la J/psi:

\mathsf{J/\psi\rightarrow\mu^{+}+\mu^{-}}

Para ello, debemos acceder a una herramienta de visualización de sucesos llamada iSpy.Veremos cosas así (los detalles más adelante):

Vista (x-z) de un suceso en el detector CMS. Fuente: http://www18.i2u2.org/elab/cms/event-display/

Y desde otro punto de vista,

Otra vista (y-x) del mismo suceso anterior. Fuente: http://www18.i2u2.org/elab/cms/event-display/

La verdad es que ya nos proporcionan sucesos elegidos por interesantes, pues todos tienen dos muones y están en el rango de masas que vamos a estudiar (el de la partícula J/psi).

Ahora nos toca clasificarlos según su calidad en cuatro categorías según una escala numérica que va desde el 0 para los pares de muones con la misma carga, que no pueden provenir de una partícula neutra como la J/psi hasta el 3 para pares de muones de signos opuestos (sus trayectorias se curvan en sentidos opuestos en el campo magnético del detector, ver nota * al final), que parezcan tener un origen común, aislados (si, por, ejemplo, uno está dentro de un jet o “chorro” de partículas bien puede ser provenga de algún otro proceso y no de la desintegración de un J/psi en dos muones)  y globales (es decir, que se hayan identificado a lo largo de toda la extensión del detector y no sólo en alguna región aislada).

2. Calcular la masa invariante de los dimuones que hayan superado el corte anterior (por ejemplo, excluyendo los de las categorías 0 -por supuesto. y 1).

Es decir, suponiendo que los dos muones son el producto exclusivo de la desintegración de una partícula X,

\mathsf{X\rightarrow\mu^{+}+\mu^{-}}

se obtiene su masa a partir de las leyes de conservación de la energía y el momento de la mecánica relativista (lo explico aquí) y de la medida de los momentos lineales de los muones en los detectores (*)

3. Hacer el histograma que representa la distribución de masas invariantes con los datos del punto 2 y mediante una hoja de cálculo o esta herramienta online. Por motivos que justo ahora no voy a explicar(**), no se obtiene un único valor para la masa de X sino una distribución cuyo centro sí es \mathsf{m_{X}}. Algo así como esto:

Espectro de masas invariantes para dimuones que pasan el corte. Datos: CMS 2010

4. Conclusiones.

Hay que discutir muchas cosas, como el origen de los datos brutos, nuestra elección para el corte (pues la adjudicación por categorías es hasta cierto punto subjetiva) y luego la propia decisión de tirar, junto con los sucesos de la clase 0, lo que es indiscutible, los de la clase 1, por no hablar de lo que hay detrás de estos histogramas (para lo que recomiendo encarecidamente leer esto)…

Sin embargo, podemos concluir provisionalmente que

los datos son compatibles con la existencia de una partícula neutra de masa aproximadamente igual a \mathsf{3,1\: GeV/c^{2}}. Si miramos las tablas, eso se aproxima bastante a la partícula \mathsf{J/\psi}.

____________________________

Notas

(*) Sobre una partícula (clásica) de carga q que se mueve a velocidad v por un campo magnético B, actúa la fuerza (de Lorentz):

\mathsf{\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{v}\times\overrightarrow{B}}

En el caso más sencillo, en el que la partícula se mueve de forma perpendicular al campo magnético del detector, el movimiento es circular, lo que nos permite calcular el momento lineal de una partícula de carga conocida en un campo magnético B si medimos, como se pretende en los detectores, la curvatura de la trayectoria (R es el radio de curvatura, que en este caso es simplemente el radio de la trayectoria):

\mathsf{F=ma=qvB}\;\Longrightarrow\mathsf{\frac{mv^{2}}{R}=qvB\;\Longrightarrow p=qRB}

donde hemos puesto p = mv. Y no deberíamos, porque estas partículas creadas en los aceleradores pertenecen todas al régimen relativista (es decir, no podemos hacer la aproximación clásica válida cuando v << c). Sin embargo, tenemos mucha suerte porque en mecánica relativista resulta que también es verdad para este caso que \mathsf{p=qRB}

El caso más general en el que la velocidad es arbitraria resulta sólo ligeramente más complicado. La velocidad tiene una componente paralela al campo y otra perpendicular: \mathsf{\mathsf{\overrightarrow{v}=\overrightarrow{v}_{\Vert}+\overrightarrow{v}_{\bot}}}

Como el campo magnético afecta sólo a la componente de la velocidad perpendicular al campo (ver esto), el movimiento es circular en la dirección perpendicular (\mathsf{\perp}) y no se ve afectado en la dirección paralela al campo (\mathsf{\Vert}), lo que en conjunto da lugar a una trayectoria helicoidal:

Ejemplo de libro de una trayectoria helicoidal (un par electrón - positrón en el detector Aleph de LEP, el predecesor del LHC en el CERN)

Según lo dicho, en este caso general basta sustituir el momento lineal \mathsf{p}  por su componente transversal \mathsf{p_{\bot}} para obtener la relación válida con generalidad entre el momento y el radio de curvatura de la hélice:

\mathsf{p_{\bot}=qRB}

_____________________________________________________

(**)  ya que además de las incertidumbres en las medidas tendríamos que empezar a hablar de cómo (casi todas) las partículas son inestables y se desintegran espontáneamente con una distribución de tiempos de vida cuyo promedio es, hablando con poca precisión, la vida media  Δt. Ahora bien, según el principio de indeterminación de Heisenberg

\mathsf{\triangle E\cdot\triangle t\sim\hslash}

y eso implica que la energía y por tanto la masa (pues, por ejemplo, para una partícula en reposo \mathsf{E_{0}=mc^{2}}) tampoco están bien definidas, sino que se distribuyen estadísticamente con una anchuras tales que:

\mathsf{\triangle E\sim\frac{\hslash}{\triangle t}}

\mathsf{\triangle m\sim\frac{\hslash}{c^{2}\cdot\triangle t}}