Clases de Física en Santiago

Muñeco equilibrista

Para ver cómo marcha la Física del muñeco equilibrista tendremos que conocer el concepto de centro de masas, uno de los tantos conceptos que los físicos han inventado para hacer más sencilla la tarea de resolver ciertos problemas y entender determinados fenómenos.

Sea un sistema formado por dos o más partículas, definimos el centro de masas como el punto en el que podemos suponer que se concentra toda la masa del sistema. La posición del centro de masas se calcula teniendo en cuenta de qué forma están distribuidas las masas implicadas.

Una vez entendido esto, podemos pasar a analizar el muñeco equilibrista, que es un sistema como el de la figura. El punto C denota el centro de masa y el punto P es el punto de apoyo. Los bloques de los lados deben pesar más que el muñeco (situado en la parte superior). Esto hará que el punto C se sitúe siempre por debajo de los pies del muñeco, es decir del punto de apoyo P. Para lograr que nuestro sistema sea estable es necesario que el centro de masas se encuentre por debajo del punto de apoyo, nunca por encima. Como queremos mantener el punto C por debajo del punto de apoyo, es evidente que cuanto menor sea la longitud del punto de apoyo, mejor.

La colaboración T2K está afirmando haber demostrado que los neutrinos tienen una fase compleja de violación CP distinta de cero en su reciente artículo en Nature:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0

disponible también en:

https://arxiv.org/abs/1910.03887

Si uno asume que los leptones son descritos por spinores ( ya sea de Majorana o DIrac) se puede mostrar que la información de discordancia de estados cuánticos de los neutrinos cuándo estos se propagan libremente y participan en las interacciones débiles está contenida en una matriz unitaria llamada matriz de Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata matriz (matriz PMNS).

La matriz PMNS tiene 4 parámetros independientes que son equivalentes a los 3 parámetros de una matriz de rotación SO(3) y más una posible fase compleja que viola CP. Dos de los tres parámetros de SO(3) de la matriz PMNS se conocen desde los experimentos de oscilación de neutrinos terrestres y solares de 1990. Alrededor del 2009, el último parámetro real fue observado. Finalmente, lo que el miércoles pasado la colaboración T2K describe en Nature es una medición de oscilación de neutrinos que indica una violación de la simetría carga-paridad (simetría CP) en el sector leptónico. Un paso importante para determinar si los neutrinos se comportan de manera diferente en sus formas de materia y antimateria.

Tokai to Kamioka (T2K) es un experimento en el que colaboran científicos de varias nacionalidades (incluyendo Japón, Canadá, Francia, Alemania, Italia, Corea del Sur, Polonia, Rusia, España, Suiza, EE.UU y Gran Bretaña) cuyo objetivo es la medida de las oscilaciones de neutrinos.

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Sabemos que, además de los ocho planetas, también hay un gran número de cuerpos menores que habitan en “la periferia” del Sistema Solar (incluyendo a Plutón).

De forma rutinaria, se siguen las trayectorias de estos pequeños objetos, pero en años recientes se ha notado que sus órbitas muestran señales de estar siendo perturbadas por algo desconocido. Una posibilidad es que sea un planeta más, el llamado “Planeta 9” (a veces llamado Planeta X).

El hecho de que la causa de la anomalía sea tan lejana y de tan baja masa, hace pensar en un planeta errante que fue atrapado gravitacionalmente por el Sol, vale decir, un cuerpo que fue expulsado de otro sistema solar, o también podría ser un planeta que se formó solo, aislado en la galaxia, sin estar alrededor de una estrella (no se sabe muy bien cuál es el límite inferior para la masa de objetos que se forman en nuestra galaxia).

Jakob Schultz y James Unwin se pusieron a pensar qué pasaría si el planeta 9 fuera en realidad un agujero negro. Un agujero negro o un planeta, ambos con igual masa, producen el mismo efecto gravitatorio en los planetas enanos del Sistema Solar. Ambas opciones podrían explicar las anomalías de sus órbitas.

Lo que Schultz y Unwin calcularon además es que las probabilidades estadísticas de que se trate de un planeta errante en la Vía Láctea, o de un agujero negro primordial, son similares. Así que, en principio, es igual de razonable pensar en una u otra opción.

Pero un planeta capturado más pequeño que Neptuno, a una distancia diez veces mayor, es difícil de encontrar, no tenemos forma de predecir exactamente donde deberíamos encontrar al hipotético planeta 9. Esto se debe a que la anomalía en el Sistema Solar externo se observa en las órbitas de muchos objetos. Hay pocas esperanzas de encontrar un planeta 9 en un futuro cercano.

Si en cambio en lugar de ser un planeta fuera un agujero negro, curiosamente, sería más fácil de detectar. La acumulación de masa alrededor de uno de estos objetos sería tan densa que emitiría rayos gama. Y estos podrían buscarse, por ejemplo, con el futuro Cherenkov Telescope Array que se instalará en unos años en Atacama.

La existencia de este agujero negro como vecino en el Sistema Solar tendría como única consecuencia afectar las órbitas de los planetas menores (No se comerá el Sol ni la Tierra). Sería muy pequeño, tan pequeño que entraría en una página, tendría 10cm de diámetro! Y sería 10 veces más masivo que la Tierra misma!

Paper https://arxiv.org/abs/1909.11090