Las Constantes de la Naturaleza

 Hola Elementales,

Nuestro amigo Martin me preguntaba entre otras cosas muy interesantes si la velocidad de la luz c "es siquiera constante en el vacío como prueban experimentos recientes". Podeis verlo en nuestra entrada anterior "Relatividad Especial y la velocidad de la luz".

Vamos a empezar por decir que el estado actual de nuestro conocimiento sobre las fuerzas de la naturaleza no es satisfactorio en muchos sentidos, pero especialmente en lo relativo al elevado número de constantes, aparentemente fundamentales, y que hay que ajustar empíricamente, no pueden deducirse a partir de principios sencillos. Ya se está trabajando en ello.
Otro de los aspectos no deseables es el hecho de que dependan de la unidad de medida seleccionada ya que muchas de ellas no son adimensionales. Así, algunas dependen de si decidimos medir en el sistema metrico decimal (metros, segundos, etc..) o en otro sistema (pulgadas, libras, etc...) y precisamente buscamos lo contrario: que sean Universales...

La Constante de Gravitación Universal: G

La primera constante fundamental es G, la que ponemos delante de la fórmula de la gravedad de Newton.

Es una simple constante de proporcionalidad pero tambien ajusta magnitudes: se expresa en N*m2/Kg2.

Es tal vez la constante peor medida (sólo se está seguro de las tres primeras cifras...), y como vemos la fuerza de la gravedad es muy débil (si no fuera porque siempre es atractiva ni la sentiríamos).

La Constante Electrica: K

No confundir con la constante K de Bolzman para termodinamica y gases..

La ley de Coulom es practicamente igual a la de la gravitación de Newton, si sustituimos las masas por las cargas, es inversa al cuadrado de la distancia y tiene una constante de proporcionalidad llamada K

 

La constante es la de de Coulomb y su valor para unidades del SI es K = 9 * 10⁹ * N * m² / C² 

 

La constante K no es realmente fundamental, ya que es K=       y  es la Permitividad Relativa del material (siempre es menor o igual que 1) y  F/m es la Permitividad del Medio en el Vacío

Así pues, la constante importante es la Permitividad del Vacío.

Hay un paralelismo casi total con el campo magnético, donde definimos la "Permeabilidad Magnética de un material" como la Permitividad Relativa por la Permitividad del Vacío, μ = μrμ0, donde la importante es de nuevo la del vacío.

Pues bien, para enorme sorpresa de James Clerk Maxwell, cuando terminó sus famosísimas ecuaciones que unificaban definitivamente la electricidad y el electromagnetismo, descubrió que dichas ecuaciones cumplían una ecuación de onda y al despejar la velocidad de dicha onda obtuvo el siguiente y sorprendente resultado, la velocidad de esas misteriosas y (creía él) aún no observadas ondas electromagnéticas era ni más ni menos que la inversa de la raiz cuadrada del producto de la permitividad electrica, por la permeabilidad magnetica (ambas en ese medio). Así calculó la velocidad en el vacío y se sorprendió al descubrir que coincidía con la velocidad de la luz, que más o menos se conocía bien por aquella época. ¡Luego sus ecuaciones demostraban que la luz no era sino una onda electromagnética! Después hemos descubierto que hay más tipos de ondas electromagnéticas y que la luz no sólo es una onda si no que además está cuantificada en paquetes, llamados "fotones". También la gravedad se cree que se propaga a la velocidad de la luz (tanto en la Relatividad General como en los modelos que incluyen la mecanica cuantica: gravitones, etc...)

La velocidad de la luz c

          

c= 299.792.458 m/s y se suele aproximar por 3·10^8m/s

Que la velocidad de la luz es una constante se comprobó hasta la saciedad en diversos experimentos, como el famoso  experimento Michelson-Morley que determinó mediante un interferómetro que la velocidad de la luz no dependía de la velocidad del objeto que la emitía, esto descartó de golpe la suposición de que hubiera un "eter" o sustancia necesaria por la que se propagara la luz. En su lugar aparecieron las famosas transformaciones de Lorenz, la contracción de Lorentz explicaba el resultado del experimento. La rapidez constante de la luz es uno de los postulados fundamentales (junto con el principio de causalidad y la equivalencia de los marcos de inercia) de la Teoría de la Relatividad Especial.

Así pues si el vacío es homogeneo y anisótropo podemos afirmar que la velocidad de la luz es igual en todo el Universo...¿o no? Al fin y al cabo se trata de medidas empíricas realizadas ahora (en nuestro momento del tiempo y en nuestro pequeño rincón del Universo...)

 

Hay teorías que sostienen que tal vez el Universo no está acelerando su expansión, que no hace falta inventar una nueva fuerza (como la supuesta energía oscura), puede que simplemente al final de todo, la velocidad de la luz c no sea constante a lo largo del tiempo, y haya podido variar según alguna ley que aún  no conocemos...pero como vemos es imposible mover c sin que varíe la propia fuerza electro-magnética y como sabemos además también variaría la fuerza nuclear débil y creemos que el resto de fuerzas: la nuclear fuerte practicamente seguro y sospechamos que tambien la gravedad... Habría que comprobar si todo esto es posible (¿es mesurable el efecto que tendría su modificación en el pasado?) y además dicha modificación debería ser coherente y compatible con todas las características de las fuerzas ya conocidas...

La constante de Planck: h

También conocida como ħ=h/2π la constante reducida. Es el cuanto elemental de acción

 ;

(es muy, muy pequeña...)

Representa la relación o constante de proporcionalidad entre la frecuencia y la energía de un fotón o cuanto de luz. Cuanto más frecuencia mayor energía posee un fotón. Así algunos rayos gamma que se reciben desde el espacio tienen una energía increible (los denominan coloquialment OMD Oh My God...).

Max Planck la descubrió en 1901 como única forma de explicar la radiación del cuerpo negro, él mismo publicó que sin duda sería falsa pero era la única que lo explicaba: se equivocó en este comentario, el Universo es cuántico. Tiró por tierra toda la imagen del mundo contínuo que se tenía por verdadedro anteriormente.

Lo cierto es que su constante aparece por todos lados del mundo subatómico o cuántico: en el momento angular de una partícula, en su energia, en el principio de incertidumbre de Heisenberg: la incertidumbre de una medida de la posición y de una medida de la cantidad de movimiento a lo largo del mismo eje sigue la relación:

También se ha asociado con la distancia mínima con sentido o distancia de Planck . Distancia a la que creemos que los efectos cuaticos de la gravedad son los que dominan.. y la hacen la fuerza más fuerte. A esas distancias también creemos que todas las fuerzas se unifican en una única (al menos las que ya conocemos...)..

Tiempo de Planck Tiempo (T) 5.39121 × 10-44 s

Longitud de Planck Longitud (L) 1.61624 × 10-35 m

Masa de Planck Masa (M) 2.17645 × 10-8 kg

Carga de Planck Carga eléctrica (Q) 1.8755459 × 10-18 C

Temperatura de Planck Temperatura (ML2T-2/k) 1.41679 × 1032 K

La constante de estructura fina α

O constante de estructura fina de Sommerfeld,  Arnold Sommerfeld, α, yo diría que es realmente una constante física fundamental ya que es una cantidad sin dimensiones, por lo que su valor no depende del sistema de medidas elegido. Caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética.

Donde e es la carga elemental, h con barra es la constante reducida de Planck, c es la velocidad de la luz en el vacío, y ε0 es la permitividad del vacío.

O sea que su valor es aproximadamente 1/137.

También se puede expresar como

Donde Kc es la constante de Coulomb.

En la teoría de electrodinámica cuántica, la constante de estructura fina juega el rol de una constante de acoplamiento, representando la fuerza de la interacción entre electrones y fotones. Su valor no puede predecirse por la teoría, y debe insertarse uno basado en resultados experimentales. De hecho, es uno de los veinte "parámetros externos" en el Modelo estándar de física de partículas.

En la Electrodinámica Cuántica este parámetro se puede medir directamente a partir del efecto Efecto Hall Cuantico ¡y se ha medido con una precisión de más de 23 decimales¡ Debe de ser la constante mejor medida de todas.

En la teoría electrodébil, que unifica la interacción débil con el electromagnetismo, la constante de estructura fina aparece en otras dos constantes de acoplamiento asociadas con los campos gauge de la teoría electrodébil. En esta teoría, la interacción electromagnética se trata como una mezcla de interacciones asociadas con los campos electrodébiles.

En 2010, el científico John Webb publicó un estudio en el que revelaba datos que afirmaban que la constante no era igual en todo el universo y que se observaban cambios graduales en torno a un eje concreto de éste.

 

A estas constantes hay que añadir las cargas y masas del electrón, protón, etc... sólo en la Teoría Estandard hay 17 constantes (además de las mencionadas, cargas, masas, ángulos de acoplamiento, etc...).

Interacción               Grupo gauge    Bosón                    Símbolo Fuerza relativa

Electromagnética      U(1)                fotón                      α em = 1/137

Débil                        SU(2)             W±, Z0                  αweak = 1,02 · 10-5

Fuerte                      SU(3)            gluones (8 tipos)        αs(MZ) = 0,121

Como vemos, en primer lugar hay demasiadas constantes fundamentales. En segundo lugar no podemos predecir sus valores... hay que ajustarlos tras experimentar y en tercer lugar dependen casi todas del sistema de medidas (de quien ya nos ocuparemos en otra entrada, porque también tienen lo suyo que mejorar,..).

¿Que opinais vosotros? ¿son todas ellas fundamentales o no? ¿se pueden mejorar? Para mí son muy. muy mejorables...

¡Un saludo Elementales!

 

Francisco Jose Menchen

AMS: Detector de Particulas en el Espacio

Hola Elementales,

Se acaba de terminar en las instalaciones del CERN en Ginebra el detector más impresionante construido hasta la fecha: el AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer).  Se ha enviado hasta las instalaciones del Centro Kennedy de la NASA en Florida el pasado 25 de agosto de 2010, desde donde se enviará a la estación espacial internacional ISS en el último vuelo del transbordador espacial .

En el proyecto han colaborado más de 60 centros científicos de todo el mundo y de mas de 16 paises. incluyendo a España (el Instituto de Astrofísica de Canarias, IAC, y el Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas de Madrid, CIEMAT). 

El equipo es un viejo sueño hecho realidad: un detector de partículas superenergéticas, tanto que no nos es posible producirlas aún (y seguramente durante decenios) en los actuales aceleradores de partículas, pero que sin embargo llegan a diario y chocan con las capas altas de la atmósfera de la Tierra.

Tan pronto como los científicos de USA descubrieron con gran decepción que nunca tendrían fondos para construir su SuperColisionadorSuperconductor (SSC) en 1995, empezaron a pensar en formas más eficientes, y sobre todo ´mucho más baratas de seguir explorando energías más altas (o lo que es lo mismo, partículas más pequeñas). La idea, el diseño y la principal responsabilidad es de Samuel Ting, físico de laboratorio y famoso caza partículas, premio Novel de Física en 1985 por su descubrimiento de la primera partícula encantada la J/Shi (J/ψ mesón, también llamada en broma partícula gitana por su sonido en inglés).

Como la idea era muy ambiciosa para la época, se creó un primer prototipo mucho más sencillo, el AMS-01, que voló a bordo del transbordador espacial Discovery en 1998. De aquella experiencia muy humilde se aprendió lo bastante como para que ahora, el muy mejorado, AMS-02 sea una realidad. Estuvo en funcionamiento unas 100 horas, pero demostró su viabilidad. Pesaba 3,5 toneladas, y curiosamente viajó en el último vuelo a la estación espacial rusa MIR. Básicamente era un imán enorme capaz de modificar la trayectoria de las partículas procedentes del espacio, calculando así su carga. No encontró antihelio, otro de sus objetivos, estimando así que de haber finalmente en el espacio antimateria debe ser en una proporción inferior al menos de 1 frente a 1 millón.

No obstante ha habido que superar grandes obstáculos, no exactamente técnicos:

Primero la destrucción del Columbia en 2003 postergó su lanzamiento a 2005.

El presupuesto inicial pasó de una optimista estimación de tan sólo unas decenas de millones de dólares hasta unos 1.500 millones, que ha costado realmente!

El equipo es tan pesado (unos 6.700 Kgs) que no puede enviarse con cohetes no tripulados ni lanzadores de satélites convencionales, ni siquiera con las nuevas cápsulas desechables que abastecen ya a la estación.

Cuando el gobierno de los USA anunció que iba a jubilar a todos los transbordadores y que ya no habría más vuelos en 2010. Toda la comunidad científica se volcó en conseguir un último vuelo para ponerlo en la estación.

El detector es una proeza de técnica, pero consumirá tanta energía (de 2000W a 2500W) que sólo abordo de la ISS,  con sus potentes paneles solares, podrá alimertarse lo suficiente como para garantizar una larga vida útil. Ningún satélite tiene disponible ese consumo.
También se deben procesar y almacenar los datos en órbita porque generará un flujo de datos de 10Gbits/seg cuando esté plenamente operativo: una capacidad de transmisión de la que carece la estación espacial. Almacenando, procesando y comprimiendo puede reducirse el bit rate hasta  1Gbits/seg, algo más digerible. Así que debe tener a bordo un gran ordenador con capacidad de procesamiento muy elevada. De nuevo más peso y consumo.

En el último minuto se decidió suprimir el imán superconductor refrigerado con helio liquido (a 1.8K) por otro muy potente pero convencional, adelantando la entrega del proyecto y aligerándolo de peso y consumo: no podemos perder el último tren a la estación! Reducirá algo sus prestaciones como detector, pero alargará su vida útil de 3 años hasta unos 10 años!.

El equipo es básicamente un cilindro hueco que permitirá analizar las partículas que lo atraviesen de arriba a abajo. En sus interior los diversos dispositivos determinarán la carga y velocidad de las partículas, dirección de llegada, etc...

Podrá reconocer nuevas partículas, así como sus fuentes. tal vez detectemos las famosas y  escurridizas componentes de la materia oscura. Cuyos más probables candidatos son los "neutralinos", propuestos por las teorías supersimetricas, y la materia extraña "Strangelet" (partículas compuestas por quarks "s" extraños además de "u" y "d" como la materia normal, se cree que la materia normal procede de ella al enfriarse, veremos si aún queda algo.

Las teorías supersimétricas pronostican que por cada leptón hay un nuevo ´hadrón y viceversa, así al neutrino le corresponde un "neutralino". Se trata así, por simetría, de explicar porqué hay un mismo número de partículas en cada familia, tal y como ahora postula el modelo estándar pero sin explicar lo, porque bien podría ser de otra manera, pero se ha ajustado empíricamente para que coincidan, al igual que sus cargas (que la carga del electrón y la del protón coincidan es hoy día un dato, pero hay una buena razón para ello más profunda?). 

Análisis de los rayos cósmicos en un amplio espectro de energías y partículas (desde protones a núcleos de hierro), imprescindible para poder diseñar escudos de protección fuera del campo magnético de la Tierra: para poder viajar por el espacio, por ejemplo a Marte.

Del estudio de las partículas bien conocidas se espera descubrir nuevas fuentes y fenómenos cósmicos de alta energía. Todavía hoy desconocemos mecanismos para acelerar hasta esas velocidades en detalle... y de otros ni sospechamos siquiera cómo.

Podrá determinar su hay una cantidad significativa de antimateria en el universo (al menos acotar un nuevo límite de núcleos de antihelio, el AMS-01 lo situó en 10^-6 en proporción con el helio común y el AMS-02 tendrá 1000 veces más sensibilidad: hasta 10^-9).

Estamos esperando su lanzamiento previsto para febrero del 2011.

Es curioso que el estudio de los rayos cósmicos, aunque no directamente si no de los subproductos de sus choques con las partículas de la alta atmósfera a principios del siglo XX, produjera una pequeña revolución encontrándose los muones, los piones y las partículas extrañas. En esa etapa anterior a los aceleradores de partículas fueron los rayos cósmicos los que generaron nuevos datos experimentales con los que avanzaron o se superaron teorías previas. El inconveniente es evidente: no se puede controlar su intensidad, ni localización y requiere un ejercicio de paciencia y enorme sacrificio (se medían en cumbres muy elevadas y aisladas durante periodos de tiempo muy dilatados).

Y ahora que nuestro problema es técnico y presupuestario: os encontramos de nuevo ante una limitación de los generadores de partículas en laboratorio, debamos volver a estudiar fuentes naturales lo suficientemente energéticas. los rayos cósmicos. Esta vez sí directamente en el espacio.

Si el proyecto es el éxito que se espera, quien sabe si la próxima generación de detectores podrá adentrarse en el espacio profundo. Confiemos que tras demostrar su viabilidad y éxito encuentren financiación en un futuro a medio plazo.

Un saludo Elementales

Francisco Jose Menchen 

Neutrinos

Hola Elementales,

Cuando algo interesante esta a punto de pasar se suceden las publicaciones y noticias desde todas partes.Pues si es así: ¡algo esta a punto de pasar con los Neutrinos!

Os recuerdo brevemente que los neutrinos son unas partículas elementales hasta donde sabemos, esto es que no están compuestas de nada más pequeño aún. Son leptones, o sea que no les afecta la fuerza nuclear fuerte (de la misma familia que los electrones). Su propiedad más importante es que al ser "neutros" de ahí su nombre no poseen carga electrica y por tanto tampo parece afectarles la fuerza electromagnética, y practicamente carecen de masa en reposo: durante mucho tiempo se pensó que carecían de masa, hoy sabemos que poseen pero muy, muy pequeña. Al final parece que sólo interactúan por al fuerza nuclear débil: son capaces de trasmutar partículas cuando chocan con ellas y reacciones similares. Son casi fantasmas: sólo reaccionan rara vez y en cantidades mínimas, para ellos la materia normal es casi transparente: atraviesan la Tierra de lado a lado como si no existiera. Un sólo neutrino podría atravesar una bloque de acero del espesor de una galaxia sin enterarse Por suerte son tan numerosos que al final unos pocos interactúan... así que son muy dificiles de detectar, sólo se consigue moviendo cantidades ingentes de materia en lugares recónditos...

En el detector de Italia Gran Sasso se está llevando a cabo el proyecto OPERA, que consiste en detectar neutrinos tipo tau a partir de neutrinos tipo muonicos generados en el CERN a 730 Kms de distancia (ya mencionamos este centro la entrada anterior pero por otro proyecto en el que están detectando neutrinos del interior de la Tierra).

Han anunciado con fecha 31 de mayo,  que por fin se ha detectado la que sería la primera prueba irrefutable de la oscilación neutrínica (con un 98% de probabilidad de que no sea debido a otras causas). El experimento consiste en generar neutrinos de tipo muónico en el CERN (Ginebra Suiza), enfocarlos hacia este detector, atravesando la tierra de por medio en esos algo más de 700 Kms, donde después se detectan, filtran y analizan. En este caso como dijimos el detctor es una gran tanque subterraneo lleno de líquido transparente y completamente lleno de detectores-fotomultiplicadores opticos para amplificar el fogonazo de la Radiacion Cherenkov que se produce cuando un neutrino choca con una partícula del líquido.

Al mismo tiempo el proyecto MINOS en el Fermilab, ha publicado igualmente unos resultados sorprendentes e inesperados de asimetria entre neutrinos y antineutrinos, gracias a la enorme precisión nunca antes conseguida en la medida de la energía de los neutrinos. Generan neutrinos y antineutrinos en el injector principal del acelerador Fermilab (Vatabia, Illinois a 50Kms al Oeste de Chicago) y se detectan en el detector MINOS en Soudan (Minnesota) a 735Kms de distancia. El resultado arroja una variación del 40% (en un paramatro llamado "delta m squared" que mide la mezcla de la oscilación neutrínica) menor para los antineutrinos con respecto a los neutrinos. En este caso el detector es más sutil y mide y separa a los muones o antimuones, que se producen cuando interactúa el neutrino o antineutrino de turno con el detector, gracias a un potente campo magnético. En los 2,5ms del viaje los neutrinos oscilan cambiando su sabor y cambiando de masa (y cambiando a su vez su "frecuencia", nótese que la energía total de la partícula permanece igual).

Pero lo más prometedor de todo está pasando en el proyecto IceCube en la Antartida, que ya os mencioné en una entrada anterior. Alli están a punto de tener en meses totalmente operativo este gigantesco detector de neutrinos formado por pozos perforados en el hielo de más de un kilómetro de longitud. Cada uno situado a modo de malla de red en cuadrados cubriendo un área de más de un kilómetro de lado. En cada pozo de introduce una cadena de cable con detectores cada 17 metros. Consiguiendo un detector en que en conjunto  tiene más de un kilómetro cúbico.

En verdad se trata del primer y mayor observatorio astronómico de neutrinos del mundo. Ya está empezando a generar imágenes de nuestro Universo en "neutrinos", y el resultado aunque provisional es sorprendente: todas las estrellas, agujeros negros, y objetos como pulsar, etc... son generadores de neutrinos. Pero con este detector podemos mirar directamente dentro de ellos, No sólo viendo la superficie como hasta ahora. También podremos mirar las fuentes de rayos X y Gamma directamente para averiguar su origen: la mayoría de los misteriosos estallidos de rayos Gamma sólo suponemos su origen mediante hipótesis, el resto así como de muchos rayos cósmicos superenergéticos ni sospechamos qué los puede producir. También creemos que parte de la materia oscura puede desintegrase dejando una huella neutrínica inconfundible y totalmente distinto a los visto hasta ahora en nuestros aceleradores y otras fuentes detectadas... Ya hemos hecho un primer mapa provisional del Universo y de nuestra estrella el SOL y de la Tierra... ¿No os maravilla?

Nuestro sueño es detectar una supernova a tiempo: podremos ver todas las fases desde que es aún una estrella hasta que su remanente final pasando por su contarcción brusca y la onda de choque y gases en expansión final. Como los neutrinos tienen masa anunque poca llegarán algo depués que los fotones de luz. Si la distancia en considerable nos dará tiempo a estar preparados!

¿Cómo creemos que funciona la oscilación neutrínica y en definitiva los neutrinos?

Creemos que cada neutrino tiene un fuerte caracter "quantico". Existe como una superposición simultanea de los tres sabores conocidos (si no son más...). Cada sabor lo podemos imaginar como una onda de una frecuencia proporcional a su masa. cada neutrino es como una onda compuesta de una suma en una proporción determinada de tres "tonos" puros (eletronico, muonico y tau). Ásí la probabilidad de que yo lo detecte como uno sólo de estos sabores es proporcional a la componenete que de él tenga la superposición: Ejemplo: un neutrino: 70%e, 15% m y 15%t) se detectará casi seguro como electrónico.

La novedad es que esta proporción no es fija sino que al igual que una onda que se propaga en función del desfase que se va produciendo al avanzar y dependiendo de dónde y cuando midamos obtendremos una combinación diferente: por ejemplo en el caso de antes partiendo de 1:0:0 podremos detectar 4:1:1

Un neutrino electronico empieza a tener probabilidad creciente de detectarse como muonico o tau... así observando muchos emitidos de un sólo sabor nos podemos sorprender encontrando un nuevo sabor! En el caso de OPERA se han elegido neutrinos muonicos de partida para estar seguros y evitar confusiones, ya que el SOL y los reactores nucleares de la Tierra así como la radiactividad natural del uranio y torio presentes en la Tierra generan neutrinos únicamente electronicos. ¡Y se han detectado algunos de tipo tau!.

Ya sabemos que  la proporción muonico-tau siempre es igual, así las combinaciones suelen ser del tipo: 4:1:1. 7:5:5, etc.. los dos últimos números son iguales... debe de haber una simetría oculta e intrínseca que aún no podemos explicar.

Si hubiera más sabores de neutrinos en la naturaleza su masa debe de ser muy elevada (sería como un tono de mucha más frecuencia y con muy poca amplitud: indistinguible aún del ruido de fondo...) conforme aumentemos la "precisión" de nuestros instrumentos podremos ir descartando teorias y afinando otras. También mejoraremos la "resolución" de nuestra astronomía de neutrinos: el Super-Kamiokande en Japon tiene una resolución como telescopio de apenas 26º (muy mala), ICECUBE tendrá algo mejor que un 1º (0,26º seguramente).

No sólo avanzaremos en la teorías físicas fundamentales, también, y al igual que hubo una revolución en nuestra concepción del Cosmos con el descubrimiento de cada nueva astronomía: primero óptica, luego los radiotelescopios, luego la infrarroja y ultravioleta, ahora estamos empezando a saborear la de rayos X y Gamma. La década siguiente será la de Neutrinos.

Un saludo Elementales

Francisco Jose Menchen

Novedades II Primavera 2010

Hola Gaussianos,

De forma no casual, se han sucedido estas últimas semanas, y casi se han amontonado literalmente, noticias de los diversos centros de investigación de física de partículas de todo el mundo. No me parece una coincidencia casual, porque como vereis no obedece a una serie , de grandes hallazgos inesperados, que han coincidido en el tiempo, y que no podían esperar a ser publicados. La razón para mí es sencilla: todos querían decir que ellos también están realizando investigaciones importantes y complementarias antes del arranque del LHC de primavera. Los centros de todo el mundo temen que se les retiren los fondos de financiación de los que dependen para sobrevivir. Estos centros exploran energías de hasta casi 1Gev. Y dado que en USA están también contribuyendo al LCH del CERN en Ginebra, sería natural que los responsables políticos, tan sobrados de dinero por estas fechas, pensaran que ya no necesitan gastar en lo mismo y sobre todo a energías ya explortadas y superadas.

Así, se abre un debate sobre si se "debe publicar sólo lo importante" o "lo importante es publicar" a cualquier consta para seguir "vivos en la carrera", ¿quién sabe si algún descubrimiento importante no se hubiera conseguido sin mantener fondos de inversión durante varios años (aunque para ello haya que recurrir a pequeñas argucias).

Noticia1:

 El Laboratorio Nacional de Brookhaven, en su RHIC (Relativist Heavy Ion Collider) ha descubierto nuevos "antiisótopos exóticos" relativamente longevos, que en lugar de antineutrones o antiprotones emplean combinaciones con antiquarks extraños. Así obtenemos toda una nueva tabla periódica: con extrañeza S=0 tenemos la tabla periódica de siempre: proton, neutron, deuterio, tritio, Helio3, Helio4, etc...

con S=1 y sustituyendo un quark down por uno strange tenemos un nuevo piso

con S=2 un tercer piso.

Es sorpendente que a las energías de 1GeV ya hayamos observado "materia extraña" como la predicha para "estrellas extrañas" suponiendo que fueran el siguiente escalón estable antes del colapso gravitatorio (algo así como un estado intermedio entre agujero negro y una estrella de neutrones) y puede que incluso el nucleo de una estrella de neutrones esté realmente constituido por una materia así.

Pero esto tiene más consecuencias de todo tipo. Una de ellas es que a las energías a las que la hemos observado este efecto nos fuerza a tenerlo muy en cuenta, cuando estudiamos  el proceso de nucleogénesis en estrellas en su fase estable, donde se crean la mayoría de los elementos químicos (y por supuesto en la fase final donde se crean los que hay por encima del Hierro). Así, las cadenas de reacciones nucleares que crean los diversos isótopos pueden complicarse con varios estados intermedios adicionales que pasan por estos nuevos "isótopos extraños". Hay que recalcular las abundancias relativas que estos nuevos modelos predicen.

Noticia2:

En el proyecto Gran Sasso y Borexino (colaboración entre Italia, US, Alemania, Rusia, Polonia y Francia), básicamente un gran detector de neutrinos, están detectando  los primeros neutrinos procedentes del centro de la Tierra. Si todo va como debe, se abre la puerta a un observatorio y a imágenes con información de primera mano sobre lo que sucede en el Nucleo Terrestre. Podremos "mirar" dentro de la Tierra y observar su interior en una especie de radiografía de neutrinos. Mejor dicho de antineutrinos procedentes de las desintegraciones nucleares del Uranio (U), Thorio (Th), Potasio (K) y Rubidio (Rb)depositados en el interior.

El observatorio que consta de 300 toneladas de líquido "escintilador", se diseñó para detectar neutrinos de baja energía porcedentes del sol.

Los datos deben complementarse y corroborarse con los de los detectores KamLAND en Japón y SNO+ en Canada.

Dichos datos son muy importantes también para entender cómo funciona el núcleo y el interior terrestre, sobre el que tenemos una gran duda: ¿Cuál es el origen del calor que genera? Nada menos que 40TW. Se postulaban el calor residual del origen de la Tierra, la desintegración radiactiva, interacción con el campo magnético solar, etc... Por estos estudios sobre neutrinos sabemos que sólo una parte se debe a la desintegración radiactiva.

Dicho calor es el origen del campo magnético terrestre y de la tectónica de placas responsable del vulcanismo y los terremotos.... no hace falta explicar lo importante que sería comprender mejor estos dos últimos fenómenos para predecirlos. Ni lo que dependemos del campo magnético terrestre que nos apantalla de toda partícula de alta energía cargada procedente sobre todo del viento solar o del espacio más profundo, sin él literalmente nos "freiríamos".

Noticia3:

En el Tevatron del Fermilab se están obteniendo resultados sorprendentes en el proyecto DZero, que indica evidencias significativas de la violación de la simetría CP entre materia y antimateria. El proyecto DZero ha analizado todos los datos recopilados en los últimos 8 años: trillones y trillones de impactos tipificados de partículas!

Se han centrado en estudiar con una precisión sin precedentes el decaimiento de mesones B (de quarks "Botton") en muones y antimuones. Encontrando desviaciones importantes sobre las predicciones del modelo standard. Dicho modelo no consigue distinguir entre materia y antimateria. O al menos no de la manera que esperamos para poder explicar por qué no hay antimateria en nuestro Universo, o mejor aún, por qué hubo un exceso de producción de una sobre la otra en el origen del mismo que hizo que actualmente usted y yo seamos "materia". ¿Por qué no se aniquiló toda la materia con la antimateria una vez que se enfrió, si en teoría se producen en "pares" o sea en igual cantidad?. Se cree que realmente hay una diferencia muy sutil en las leyes de la naturaleza que "distingue" entre materia y antimateria. Así se debió de producir una ligerísima cantidad inferior de antimateria con respecto al de materia en el comienzo y esa "ligera" diferencia es nada menos que "toda" la meteria que vemos ahora (incluyendo todas las estrellas galaxias, etc...).

De no ser así, aún sería más interesante, porque ¿dónde está si no toda la antimateria que no observamos? Hasta donde podemos "ver": el Universo observable es tan sólo una esfera de radio 13.500 millones de años luz, ya que desde el origen del Universo nada ha podido ir más rápido que la luz. Desconocemos si el Universo es más grande que el Universo observable, si coinciden en tamaño o si incluso es "menor" (¿sabéis lo que implicaría ésto: que alguna lejana región observable es en realidad otra región más cercana pero por ejemplo hace 8.000 millones de años y la luz procedente de algo que ya no está o ha cambiado nos llega tras dar la vuelta al Universo y volver: serái una especie de "espejismo" literal lo que observamos cómo muy lejano). Pero podría ser que el Universo hasta donde sabemos pudiera incluso ser "infinito", o ser sólo una parte de un "multiverso" formado por muliples Universos incluso con leyes físicas totalmente distintas.... y totalmente separados del nuestro. Si se crearon a la vez, ¿pueden constar éstos sólo de antimateria y no afectarnos de ninguna manera?

Hay muchas más.... pero lo fundamental, además de manteneros informados, es si es o no lícito y conveniente forzar a los centros de investigación básica a que publiquen como sea y lo que sea... y si éste debería ser el patrón de medida de la calidad o prioridad de su investigación con respecto a otras.

El simple hecho de que ellos sepan cómo se les evalúa altera la medida. De hecho ya hay varias fórmulas y hasta una constante (Landa) que definen a que tiende este proceso interactivo.

¿Que pensáis vosotros elementales? Sobre la necesidad o conveniencia de publicar. Y sobre todo de la pregunta realmente importante ¿Está bien gastado este dinero o se podría emplear en otros expemientos más interesantes pero más parcos en publicidad y que no acceden por tanto a la financiación? Espero que os haga reflexionar y si queréis podamos compartir vuestras reflexiones...

Un saludo

Francisco Menchen

 

Noticias Fisica de Particulas Primavera 2010. Parte I

Ya se ha puesto en marcha de nuevo el LHC tras la programada parada invernal.

Recordemos que nos habíamos quedado justo antes de la parada programada de invierno, que se produce de forma ordenada, para lograr una doble finalidad:  por un lado ajustar esta inmensa máquina (proceso contínuo ya que en sí mismo constituye un sistema muy grande hecho a medida y con partes del sistema también hechas a medida, practicamente un sistema nunca antes montado hecho de prototipos) y por otro lado, se trata de no coincidir con el mayor consumo eléctrico de la zona en los meses de más frío y menos luz ambiental. La última noticia había sido que todo fué bien, se llegó a batir un nuevo record mundial de potencia superando el 1GeV del Tevatrón del Fermilab e incluso se estrenaron los 4 detectores con "fuego real" al producir choques de partículas.

En la nueva puesta en servicio del aparato ya se ha llegado a la energía de trabajo maxima prevista para la primera fase: 7GeV (se consiguió el 21 de Marzo pasado). Este sí es un record absoluto Mundial! Circulando dos haces de protones en sentido contrario, se consigue esa energía disponible en el choque.

Queda por conseguir el incremento progresivo de la intensidad para lograr un número mayor de choques por segundo.

Durante un año y medio se explorará sistematicamente las energías desde hasta donde se habían explorado previamente (aprox. 0.65GeV) hasta los 7GeV. Y se acumularán múltiples datos para que los centros de investigación de todo el mundo comprueben o descarten modelos teóricos. Por supuesto si se descubre una partícula nueva se sabrá casi en tiempo real.

A partir de ahí (pasando una nueva parada técnica del invierno del año que viene) se comenzará a explorar energías superiores, cargando otros proyectiles: en lugar de protones se inyectarán iones o núcleos de plomo (está por ver si incluso oro). Con lo que casi se prodría llegar a duplicar su energía eficaz de choque hasta 14GeV (al menos seguro superar los 10-12GeV). Tras lo que se estará otro año y medio, tal vez dos años.

El evento ha tenido una gran repercusión mediática: nada menos que 3 minutos en el telediario de todas las cadenas del mundo en horario de máxima audiencia con un vídeo realizado en el propio CERN con imágenes expectaculares del propio centro y simulaciones de todo tipo de los choques previstos (para los ojos expertos se vieron huellas de las posibles partículas esperadas: el Bosón de Higgs, partículas supersimétricas, etc...

Hasta una entrevista en el canal 24 horas de RTVE (www.rtve.es/mediateca/fotos/20091121/lhc-se-pone-nuevo-marcha/41092.shtmla) un físico profesional que había trabajado en varios centros a lo largo del mundo y por supuesto en el CERN. Y el hombre intentó explicarlo con palabras que todo el mundo pudiera entender (creo que lo hizo muy bien). Incluso surgió la típica e inevitable pregunta final, no típicamente técnica o científica: El presentador preguntó si tenía alguna implicación "moral" lo que allí se puediera descubrir. ¿Qué pensais vosostros Elementales?

Antes de responder os pondré unas premisas sobre la mesa. En sí la pregunta es muy ambigua, poco concreta, y se puede interpretar de muchas formas. Además creo que no está ni siquiera bien formulada: la moral es el objeto de estudio de la ética, y sólo versa sobre las repercusiones de las acciones humanas: por ejemplo no tiene sentido preguntarse si un cuchillo es bueno o malo, en sí mismo, sí lo tiene el uso que de él hagamos (si es para comer es bueno y si es para agredir es malo). Tal vez nos confunde el hecho de que si un objeto sólo tiene malas aplicaciones decimos coloquialmente de él que es "malo", y todos entendemos que realmente lo que es malo es su uso. Del mismo modo preguntarse sobre si investigar es "bueno o malo" ya es ambiguo y en los tiempos que corren hasta sorprende: el conocimiento en sí mismo no es bueno ni malo, sólo el uso que hagamos de él, pero casi todo el mundo está de acuerdo en que es bueno en el sentido de que es una obligación y casi una necesidad de la especie humana. Como veis, se está además realizando en un entorno multinacional, totalmente trasparente, y prácticamente todo el mundo tiene acceso a lo descubierto en tiempo real: en un proyecto modelico de colaboración internacional, con fines claramente científicos.

El entrevistado de forma positiva y cómplice, contestó: supongo que se refiere a la polémica sobre si se podría crear algo que nos pudiera poner en peligro, algo así como un agujero negro que pudiera hipotéticamente empezar a engullir materia y eventualemente a la Tierra entera. La respuesta es NO, ya que las energías a las que nos moveremos son ampliamente superadas a diario por muchas partículas que chocan con la atmósfera, desde hace millones de años, y es evidente que no ha sucedido nada de eso.

Yo añadiría que hay más: al Bosón de Higgs se le ha denominado (a mi juicio de forma malintencionada) la "Partícula Divina". Y la gente se pregunta si es lícito seguir investigando más allá de esa frontera digamos "divina". Personalmente creo que es una estupidez colosal confundir alegremente términos tan dispares, y en general mezclar religión y conocimiento (ya que la religión también trata sobre la moral y como tal hemos visto que a ésta sólo le debería importar las acciones humanas en cuanto a sus consecuencias e intencionalidad). De todas formas para los lectores con profundo sentimiento religioso, y mente abierta al conocimiento, y que pudieran tener algún dilema, me remitiré a la historia que cuenta en múltiples libros Stephen Hawkins,  http://es.wikipedia.org/wiki/Stephen_Hawking , sobre unas conferencias que dieron en el Vaticano múltiples sabios invitados por la propia Iglesia (en los primeros años 80), para ponerse al día del avance de las investigaciones científicas (y esa vez que no les pasase lo que les sucedió con el caso de Galileo) y ver cómo encajaba con la versión oficial según sus mejores teólogos. Al final de las mismas, la Iglesia les indicó que oficialmente consideraban la Teoría del Big Bang o Gran Explosión de acuerdo y conforme con las Escrituras, y que dicho momento lo consideraban el Instante mismo de la "Creación", pero también advertían (y aquí se cubrían de momento en salud, a mi juicio innecesariamente) de que no investigaran lo que sucedió antes de ese momento porque eso ya era de dominio divino.

Mis comentarios al intento de frenar el conocimiento me los reservo, pero ahora añadiré dos cosas: una que con las energías disponibles estamos todavía lejísimos de las que reinaron en el instante mismo o previo al Big Bang, luego estamos todavía tras el Big Bang, y segundo que hasta San Agustín fué más perspicaz y sabía que no tenía sentido preguntarse que hacía Dios antes de la Creación porque el propio tiempo se creó con el Universo y no tiene sentido siquiera preguntar por "anterior" en el sentido clásico del término.

Veremos no obstante, que hay teorías que ya permiten adentrarnos en el instante anterior al Big Bang (ya que en ellas el tiempo no empezararía en ese instante si no que habría un pasado anterior y están definiendo si se podría saber algo de él a partir de medidas de lo que nosotros llamamos nuestro Universo actual), como las Terías de Supercuerdas, para las que no habría singularidades ni en el Big Bang ni en un Agujero Negro. Para ellas lo que había antes del Big Bang o un Agujero Negro serían tan sólo la forma más compacta posible de energía-materia conocida, que podría ser estable durante tiempos inimaginablemente largos de tiempo pero que podrían "rebotar" explosionando, debido bien a nuevas fuerzas que se postulan en dichas teorías o a algo similar a fluctuaciones cuánticas. ¿Podría todo nuestro Universo haber sido previamente un Agujero Negro supermasivo en otro Universo anterior?

Y como fin de la anécdota: el propio Stephen Hawkings había pronunciado una conferencia, unas horas antes en el mismo Vaticano, donde decía que ya que en las teorías de la Gravedad que él manejaba (de fusión entre la Relatividad General y la Mecánica Cuántica) se manejaba el Tiempo en el dominio Complejo, ¿por qué consideramos que el tiempo Real, con sóla una dimensión, al que estamos acostumbrados es el verdadero Tiempo? ya que para él, bien podría ser que el Tiempo Complejo (de dos o más dimensiones temporales) fuera el "verdadero tiempo", y el otro sólo una proyección unidimensional del mismo. Pues según él, el tiempo Complejo ni empezaba ni terminaba. En el mismo sentido que la superficie de la Tierra no tiene ni comienzo ni final en un punto singular (nadie se va a caer por un límite de la Tierra porque llegue a un borde, podría caminar por su superficie eternamente sin llegar a ningún fin). Según sus resultados, el tiempo complejo es similar a la superficie de la Tierra sin comienzo ni final y autocontenido (matemáticamente está muy bien definido). Así el Big Bang sería un instante similar al polo norte terrestre, a partir del cual podemos continuar avanzando en cualquier dirección.

Para saber cuál de estas teorías está en lo cierto o equivocada, o si sigue viva en la competición por la Teoría Definitiva (si es que la hay), necesitamos experimentar en máquinas como el LHC del CERN y similares, y observando cada vez mejor el propio Universo.

¿Qué opináis vosotros?

Un Elemental saludo

Francisco Jose Menchen