De partículas y cafés

Rayos cósmicos
Representación de la llegada de rayos cósmicos a la atmósfera. Imagen original.

La atmósfera es nuestro paraguas. Continuamente llegan a ella partículas muy energéticas procedentes del espacio, pero que sin embargo no consiguen alcanzar la superficie debido precisamente a la existencia de la atmósfera, el aire.

Estas partículas suelen ser lo más simple que podemos imaginarnos: un protón, un único átomo de Hidrógeno, o poco más. Durante todo el recorrido por el espacio suelen viajar tranquilamente, siendo guiadas por las autopistas fijadas por los campos magnéticos que se vaya topando. Pero al llegar a la atmósfera se encuentra con algo nuevo: muchas moléculas (las del aire), que al final no puede esquivar y termina chocando con alguna de ellas, terminándose la historia.

Pero en el primer párrafo hemos usado la palabra clave, muy energéticas. Nuestra mente seguramente ya estará preguntándose… ¿cómo es el zambombazo que producen estas partículas al chocar con la atmósfera? ¿podemos imaginarlo?. También podremos compararlo con algo similar: las energías que llevan estas mismas partículas en el LHC, el acelerador de partículas situado en Suiza (si hombre, el que destruyó la Tierra al crear un agujero negro cuando entró en funcionamiento, hace unos años).

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Las colisiones en el LHC

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Después de que ya haya pasado más de un año desde que el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) de Ginebra haya creado un agujero negro que ha destruido la Tierra y a todos nosotros por el camino, como gritaban y denunciaban algunos1, no estará de más entender qué son las las imágenes que muestran las colisiones que tienen lugar en el aparato.

Viendo una de las imágenes perteneciente a un evento ocurrido en uno de los detectores que tiene el LHC, el CMS (ahora mismo hay 4 detectores distintos), como la de arriba, podemos ver que se suelen diferenciar en tres partes, que no son más que tres vistas del detector, que tiene forma de cilindro: una desde un costado, B, otra desde uno de los «tapas», A, y otra una vista en 3D, C.

Así que para centrarnos, a través de los dos laterales del cilindro entra y sale el anillo del LHC (de unos 27 km de largo), y que es por donde van las partículas (protones en general). De forma que en B lo vemos según las flechas 2, y en A el anillo quedaría entrando hacia dentro, perpendicular a la pantalla del ordenador.
Entonces, entra un haz de partículas por un extremo del detector y otro, en dirección contraria, por el otro extremo, colisionando en el centro, que será el lugar de donde surgirán todas las partículas resultantes (punto 1).

Partes de los detectores

Aquí prácticamente todos los detectores presentes en los aceleradores de partículas son similares, constan de:

  • tracker (región 3) que es la primera zona que se encuentran las partículas tras impactar entre ellas. Éste no es más que una cámara con un enorme número de detectores que se encargan de seguir o trazar la trayectoria de las partículas que salen (líneas amarillas).
    Eso sí, solo detecta partículas cargadas eléctricamente, como electrones o protones, no fotones.
  • Calorímetros (región 4) que son las siguientes cámaras que hay. Éstos se dividen en dos: primero el calorímetro electromagnético y luego el calorímetro hadrónico.

    El primero lo que hace es que detecta si le está atravesando una partícula que interacciona electromagnéticamente: electrón, fotón o protón. Y normalmente se representan por esa barra de color rojo.
    El segundo es similar, solo que ahora solo detecta si lo que le atraviesa es un hadrón: protón o neutrón. Y se representa por las barras azules.

  • Y por último la cámara de muones (región 5 y 6), que lo que hace es detectar si pasa algún muón (partícula similar al electrón pero más pesada), como ha ocurrido en el caso que hemos puesto y vemos en 6 que se ha «iluminado» esa zona, por el paso de dos muones (las dos líneas rojas).

Así, observando el rastro que ha dejado una partícula dada y observando en qué zonas se ve o no se ve, se puede deducir qué partícula es. Y así reconstruyendo todas (la mayoría de) las partículas producidas, podremos saber qué reacción o colisión ha tenido lugar, como en este caso que es un candidato a que se han producido dos muones.

Por último, como puntualización, el número de choques que se producen en cada detector es tan elevado en un espacio de tiempo tan corto que los propios sistemas no son capaces de guardar en disco todas las colisiones, por lo que se utilizan algoritmos optimizados que van «seleccionando» los eventos que sí parecen interesantes y desprecian los más comunes y, por tanto, más irrelevantes. De una forma similar a lo que podemos ver en el siguiente vídeo, pero con un toque más de humor, de la fábrica de chocolate:

Porque la física de partículas en el fondo es divertida.

1Entre ese algunos, y como las últimas denuncias que se presentaron antes de que por fin dejaran de predicar mensajes apocalípticos, nos encontrábamos con noticias como esta en ADN.es, en la que dos «científicos» (lamentablemente uno de ellos español…) denunciaban que el LHC se trabaría la Tierra.
Claro que aquí llaman «científicos» a un consultor de tecnologías y marketing e inversor… no sé si ya habrán festejado que el mundo se acabó hace un año.

Más información

  • Explicación original publicada en Symmetry breaking, del FERMILAB (sí, son los del FERMILAB, Chicago, los primeros que explican los eventos del LHC, Ginebra), y visto a través de Francis (th)E mule Science’s News (la Ciencia de la Mula Francis).
  • Idea original de utilizar ese video como representación de lo que ocurre en las inmediaciones del LHC en este artículo.
  • Para seguir en tiempo real lo que se cuece por el LHC, su página, que van actualizando a tiempo real lo que está ocurriendo.

Entrada destinada al X Carnaval de Física.

La radiactividad en la Tierra

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Normalmente solemos oír la palabra radiactividad cuando se está hablando tanto de la energía nuclear como por bombas nucleares o similares. Sin embargo, se suele olvidar un dato importante: por el hecho de estar donde estamos ya estamos absorbiendo una cantidad de radiación todos los días.

¿Qué es esto de la radiactividad?

Conocemos que en la Naturaleza existen muchos tipos de elementos (átomos): Hidrógeno, Oxígeno, Sodio, Hierro, etc. Cada uno de ellos viene caracterizado principalmente por su número de protones: el Hidrógeno tiene un protón, el Helio dos, etc, así hasta completar átomos de unos 100 protones.

Éstos se encuentran en una región muy pequeña del propio átomo: su núcleo (con un tamaño de una milbillonésima parte del metro), pero no se encuentran solos, sino que están acompañados de neutrones, otras partículas, esta vez sin carga eléctrica. Aquí, el número de neutrones para átomos con pocos protones (átomos ligeros, como H, He, etc) suele coincidir con el de protones, aunque para átomos más pesados hay más neutrones que protones en el núcleo.

Fuera a parte del núcleo, el resto del átomo está constituido aproximadamente por nada, vacío en su mayor parte, hasta llegar a la región donde se encuentran los electrones, partículas mucho más ligeras que los protones y neutrones (éstos con la misma masa básicamente) pero con carga eléctrica igual a la del protón pero negativa.

Hoy lo que nos interesa es el núcleo únicamente. Aquí, un mismo elemento (por ejemplo Uranio) puede tener diferente número de neutrones, y así se le denominará 235U ó 238U, donde el número indica el número de protones + neutrones que tiene, y que cambia por los neutrones, ya que un mismo elemento siempre tiene el mismo número de protones (sino, habríamos obtenido un elemento diferente), en este caso, el Uranio tiene 92 protones.

Así que, como tienen diferente número de neutrones, en algo cambiarán, y una de las cosas en que afecta esto es a la «estabilidad» que tiene el núcleo. O dicho de otro modo, uno de estos dos núcleos es más inestable que el otro, lo que hará que en un tiempo más corto pueda de repente «dividirse» y formar dos núcleos diferentes, que como tendrán un número de protones diferente, serán dos elementos distintos. (Por ejemplo, se habrá podido dividir en un núcleo con 90 protones y otro con 2, completando los 92 iniciales, formándose así un átomo de Torio y una partícula alfa, Helio).
En esta desintegración es cuando se desprende una gran cantidad de energía, que por ejemplo puede ser utilizada para producir electricidad (lo que se hace en una central nuclear de fisión).

Otros elementos radiactivos más desconocidos

Estos elementos que he nombrado suelen ser conocidos precisamente por eso, por ser utilizados en las centrales nucleares, aunque normalmente se olvida que también les encontramos en la tierra, a micha menor concentración por supuesto, pero que no son los únicos. Todas las rocas y superficie de la Tierra tienen varios elementos radiactivos que con el tiempo (algunos se desintegran en pocos minutos, otros en miles de años) se van desintegrando. Aquí se pueden encontrar por ejemplo al 14C (Carbono-14) ó el Aluminio-26, ambos elementos radiactivos, desintegrándose (se suele definir el periodo de semidesintegración, que corresponde al tiempo en que en una muestra que tuvieras de dicho elemento se habría desintegrado la mitad de los átomos existentes) con periodos de 5.700 y 50.000 años.

Y precisamente debido a que se van desintegrando tan lentamente, son muy útiles para datar rocas u objetos antiguos (el Carbono-14 es ampliamente conocido precisamente por este hecho).

Y esto es un ejemplo de la radiactividad natural de la Tierra, a la cual estamos sometidos todos los días. Y que por ejemplo se incrementa ligeramente (u apreciablemente en varios casos) cuando nos metemos bajo tierra, por ejemplo en cuevas (ya que aquí al estar rodeados completamente de tierra, tenemos estos materiales por todos lados).

Radiación debida al espacio (cósmica)

Pero no solo esa es la única contribución que tenemos a la radiación que absorbemos todos los días. Sino que si miramos para arriba, estaremos viendo la dirección en que viene otra parte de radiación. (NOTA, aquí vamos a entender por radiación únicamente las partículas muy energéticas, las partículas alfa que nombramos antes, que nos llegan del espacio, aunque también podríamos incluir la luz: desde la que vemos hasta los rayos X ó Gamma).

Uno de los sitios donde mejor se observa este hecho es cuando vemos las auroras boreales: éstas precisamente se producen después de una tormenta solar (el Sol va produciendo de vez en cuando llamaradas que lanzan material al espacio), la cual emite partículas cargadas que en una gran parte son repelidas por el campo magnético de la Tierra, lo que nos protege de seguir vivos básicamente, pero una parte consigue llegar a la atmósfera.
Aquí, como esta capa de gas cuenta con varios kilómetros de altura, hace de un segundo escudo parando a estas partículas y protegiéndonos de esta radiación. Así, cuando estas partículas chocan con la atmósfera, suelen comenzar a «brillar», produciendo las auroras boreales que vemos tan bonitas, aunque debido a las partículas tan energéticas (y cargadas) que las producen, suelen ser un peligro para todos los tendidos eléctricos que hay por la zona.

Pero volviendo a lo que nos interesa, éstas partículas entran hasta cierta altura en la atmósfera (más o menos en función de lo energéticas que fueran), por lo que tanto si vivimos en un sitio alto, como si vamos en avión, esta radiación comienza a ser mayor y llega incluso a limitar el número de horas que una persona puede estar volando al cabo del año (solamente relevante para la tripulación que está continuamente viajando).

La escala Sievert

Precisamente, para cuantificar la radiación que un cuerpo humano absorbe, se suele emplear las unidades llamadas Sievert, que como valores habituales, tenemos que una persona debido a la radiación natural de la Tierra absorbe unos 2-3 mSv/año; debido a la radiación cósmica, se suman unos 0.4 mSv/año más; y la radiación debida a pruebas médicas suele ser unos 1.3 mSv/año.

Y por ejemplo los astronautas que fueron en las misiones Apollo a la Luna, absorbieron tasas de aprox. 1 Sv (es decir, 1000 mSv), que comparándolo con que si se recibe una cantidad a partir de 6 Sv en poco tiempo, la probabilidad de estar muerto ya es casi segura, es una radiación bastante alta.
Este precisamente es uno de los problemas para un viaje a Marte: éste ocasionaría una radiación de unos 10 Sv: muerte segura para cualquier tripulante. Y por ejemplo en los astronautas que están en la Estación Espacial, aunque ésta tiene una órbita muy baja (500 km de altura) que les protege en parte, ya produce que una estancia de más de una año entrañe bastante riesgo para la salud.

Así que como vemos, la radiactividad es una cosa bastante común en nuestro planeta (no es que sea una excepción, sino que ocurre lo mismo en cualquier planeta naturalmente), aunque no nos demos cuenta de ello.

Referencias

  • Artículo escrito como parte del IV Carnaval de Física, organizado esta edición por rtfm.es.
  • Preguntas interesantes sobre los Sievert y la radiación.
  • Más información sobre el Carbono-14 y por qué es tan útil para datar fechas.
  • Información sobre diferentes radiaciones absorbidas de forma natural.
    ACTUALIZACIÓN:
  • Presentaciones sobre este tema y la radiación que absorben diferentes trabajadores (como la tripulación de aviones de largo recorrido), aquí y aquí.

Explicación sobre el LHC

Ahora que volvemos a tener el LHC en activo, no está de más ver este vídeo divulgativo que han traducido desde rtfm.es sobre cómo funciona este acelerador y cómo los haz de protones que se mandan van recorriendo los diferentes anillos de los que consta el LHC hasta llegar al anillo principal de 27 km, en donde los haces alcanzan su máxima energía (de hasta 7 TeV) y se hacen colisionar, produciendo así un racimo de partículas que son captadas por los diferentes detectores que hay en diferentes puntos del anillo.

Al final, ya veremos si se consigue detectar el bosón de Higgs, alguna de las partículas supersimétricas que predicen otras teorías y que deberían verse de cumplirse, o alguna otra cosa inexperada.

  • Vídeo traducido de rtfm.es.
  • Vídeo original publicado por el CERN.
  • LHC de nuevo en operativo

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    Después de más de un año desde que se inaugurase por primera vez, y hubiera que pararlo a la semana debido a una fuga de helio, lo que trajo un retraso, en principio, de unos 6 meses, pero que después fue sufriendo diversos aplazamientos…
    El último hace varias semanas cuando, en una de las noticias más.. ¿increíbles/impensables? se encontró que varios de los imanes del complejo (que deben trabajar a 2K, unos -271ºC) se habían calentado ligeramente, lo que impedía que se pusiera de nuevo en funcionamiento el colisionador.

    Pero tras toda esta odisea, y para consuelo de los más de 10.000 investigadores que trabajan con él, anoche el LHC volvió a la vida, con un haz de protones (a baja energía eso sí) que recorrió más de 500 veces todo el anillo primero, y después con un segundo haz que le siguió los pasos.

    Durante el «paseillo», los detectores CMS y ALICE del complejo estuvieron en funcionamiento, teniendo ya los resultados del experimento CMS. Y por lo que parece, todo ha funcionado perfectamente.

    Así que en una semana se producirán las primeras colisiones del LHC, aunque para alcanzar su plena potencia se esperará un tiempo, por lo que de momento se trabajará a energías «más bajas» (aunque aún así son más altas que las que pueden conseguir los colisionadores ya en funcionamiento).

    Más información:

  • Visto en Francis thEmule Science’s news.
  • Más información en Microsiervos.
  • Sobre los experimentos CMS y ALICE (y los demás) del LHC.
  • Comentarios del equipo del CMS.
  • TV del CMS, para ver en tiempo real lo que ocurre por ese detector.
  • Antipartículas, esas cosas raras ( y II )

    Siguiendo la historia de las antipartículas, ahora abordaremos su descubrimiento experimental y las preguntas que trajo.

    Descubrimiento experimental

    Una vez hecha la predicción teórica… solo hace falta la confirmación experimental de que realmente es así.

    Y ésta llegó de la mano Carl Anderson en 1932 dentro de una cámara de niebla, una «caja» con agua en unas condiciones de temperatura y presión determinadas y un campo magnético, de forma que cuando viaja una partícula cargada eléctricamente, deja una «estela», y partículas de diferente carga viajan en direcciones opuestas.
    pair_electron-positron.jpgAquí, observó que cuando incidía un rayo cósmico, se producía un electrón y un positrón (su antipartícula), saliendo de forma análoga a lo que vemos en el dibujo de la izquierda.

    Hoy en día se conoce que cuando un fotón (un rayo de luz) con suficiente energía (rayo X o gamma) viaja por un medio donde hay varios núcleos (es decir, en el vacío no se produce), hay una probabilidad alta de que éste se desintegre en un par electrón-positrón.

    Por supuesto, el suceso contrario se produce muchas veces también: un electrón y un positrón que se encuentran, automáticamente se destruyen siempre, produciendo dos fotones.

    ¿ Por qué no vemos más antimateria?

    La pregunta que nos podemos hacer llegados a este punto es… ¿ por qué todo lo que vemos es «materia» (formada por partículas) y no vemos antimateria (formada por antipartículas) ?, porque en principio la intuición nos diría que habría una cantidad semejante de ambas.

    Y esta es una de las preguntas fundamentales que hay en la física actual sin resolver. A lo que se ha llegado es que después del Big Bang, el número que había de materia y antimateria tenía un ligero predominio de la primera (de 1 partícula más cada 10 mil millones), lo cual originó que al irse destruyendo mutuamente, sobreviviera una de las dos formas.

    Claro que que a esto lo llamemos materia y a lo otro antimateria solo es porque es lo «raro», pero de igual forma el Universo podría haber estado constituído de «antimateria» y no habría ningún cambio en absoluto.

    Nuevas interpretaciones

    Cabe destacar, que con la Teoría cuántica de campos (la teoría actual que mejor describe todas las partículas y sus interacciones), ya no es necesaria la interpretación de Dirac de las antipartículas como «huecos dentro de un mar de partículas», con todos los problemas que esto traía (la existencia de una carga infinita, por ejemplo).

    Posibles aplicaciones

    Ahora, una vez conocido que existe las antipartículas (o antimateria), cabe preguntarse qué usos se puede extraer de ellas.
    Por supuesto, aunque es relativamente fácil obtener positrones, es más complicado almacenarlos, ya que esto se debe hacer con campos magnéticos muy fuertes de forma que no se les permita acercarse a ningún electrón (lo que llevaría a la destrucción de ambos).

    La gran ventaja que sí se podría sacar es que la conversión de materia-antimateria en radiación (al destruirse mutuamente) es eficiente al 100%: toda la «materia» inicial se convierte en radiación.
    Puesto que cualquier transformación de energía actual no tiene una eficiencia más allá del 20% normalmente, esto supondría la posibilidad de crear motores con una eficiencia sin precedentes, por ejemplo, para naves espaciales.

    Esta es una de las investigaciones donde más se está profundizando, aunque debido al costoso mantenimiento de tener antimateria, todavía no se ha podido hacer demasiado viable y aún no se ha probado ningún motor así, pero las aplicaciones que se están intentando son prometedoras.

    Antipartículas, esas cosas raras ( I )

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    De vez en cuando se oye en varias noticias eso de «antipartículas«, algo que nos suena más bien a ciencia ficción o destrucción total. Pero… ¿ qué son realmente y de dónde surgen las antipartículas ?

    Antipartículas

    Conocemos que toda la materia está formada por unas «pocas» partículas, fundamentalmente protones, neutrones y electrones (hay muchas otras, pero atengámonos a las básicas).
    Cada una de ellas tiene una masa, carga (positiva, negativa o neutra) y spin (algo así como un «giro» de la partícula) propio, y diferente de el de otra partícula.

    Ahora, ¿ qué ocurriría si tenemos, por ejemplo, un electrón, con todas sus características comunes, pero con una carga positiva, en vez de negativa ?
    Pues que tenemos lo que se conoce como positrón (la antipartícula del electrón).

    Eso son las antipartículas, una partícula normal, pero que tiene una carga contraria a la que solemos observar.
    Así, tenemos el antiprotón, el positrón o el antineutrón.

    Aquí, cabe comentar que, como el neutrón tiene carga cero, su antipartícula sería ella misma. Sin embargo, en el anterior post hemos visto que el neutrón está compuesto de 3 quarks, y estos sí tienen carga. Por lo tanto, un neutrón sí se diferencia de su antineutrón en que está formado por antiquarks, en vez de quarks.

    Descubrimiento teórico

    Como en muchos sucesos de la física, primero se encontró teóricamente su existencia, y después llegó la comprobación experimental.
    Esta predicción vino de Dirac, uno de los grandes científicos que contribuyó notablemente en la mecánica cuántica.

    Una vez Schrödinger hubo descrito el «estado» de cualquier partícula mediante una ecuación de ondas (recordemos que la primera contribución de la mecánica cuántica fue que determinaba que todos los objetos son ondas y partículas a la vez, y que toda su información viene descrita por una ecuación de ondas) solo quedaba una cosa para tener una teoría completa, y esto era la descripción para sistemas relativistas (que se mueven a velocidades próximas a la de la luz).
    Por supuesto, esto requería conjugar la nueva teoría cuántica, con la relatividad de Einstein.

    El problema llegó cuando Klein y Gordon obtuvieron una ecuación, en la que, entre otros problemas, se predecía que cualquier sistema pudiera tener energía negativas sin ningún límite inferior.

    Esto, que en principio puede que no nos parezca mucha complicación, tiene un gran inconveniente: conociendo que la naturaleza siempre tiende al mínimo de energía, significaría que todo estaría en caída contínua, perdiendo energía, cosa que obviamente no vemos: un electrón se mantiene orbitando al núcleo en un átomo y no sigue descendiendo hacia el protón y continúa «más allá».
    Esta fue la razón por la que los propios autores rechazaron su ecuación.

    Sin embargo, cuando Dirac, a través de otro razonamiento, llegó a otra ecuación distinta, también relativista, que describía muy bien el comportamiento de los electrones, se dio cuenta que le ocurría lo mismo: existían infinitos niveles de energía negativa.

    Pero la genialidad de Dirac le hizo no rechazarla:
    si suponemos (esto era su hipótesis) que estos niveles están completos con partículas (ojo, con esto, de repente tendríamos infinitas partículas en unos niveles de energía que no se comprendían), entonces todo funcionaría como lo vemos, ya que al estar completos, la partícula no podría caer a éstos.

    ¿ Y qué ocurre si una de esas partículas que ocupan esos niveles «saltara» a uno de los de energía positiva (los normales) ?
    Pues que veríamos como si (una de las palabras mágicas en la física) hubiera una partícula normal, pero de carga contraria, debido al «hueco» que se ha creado.
    Y esto es lo que denominamos antipartícula

  • En el siguiente post detallaremos cómo evolucionó la comprensión de estas «partículas».
  • Acerca del descubrimiento del Quark top solitario

    Después de unas dos semanas sin poder escribir, aquí vuelvo de nuevo a la carga, con varios temas ya pensados…

    LHC

    De momento, toca explicar una noticia que salió en bastantes sitios hace varias semanas, y de la que no se ha detallado mucho, que es la observación, por primera vez, de un quark top de forma solitaria, que además tiene participación de los miembros del IFCA (Instituto de Física de Cantabria), por lo que lo tenemos «bastante cerquita».

    ¿Qué es un quark?

    Conocemos que toda la materia que vemos está compuesta por átomos, de hidrógeno, oxígeno, carbono, etc.

    Al principio se pensó que éstos era la «unidad» más pequeña en que se podía dividir la materia. Sin embargo, pronto de descubrió que éstos están a su vez compuestos por un núcleo, que contiene protones y neutrones, y una «envoltura» formada por electrones.
    Lo más reseñable de estas partículas es que los protones y los neutrones tienen una masa similar, y mucho mayor que la del electrón, mientras que éste tiene una carga negativa, y de igual módulo que la carga del protón (que es positiva). El neutrón por su parte no tiene carga alguna.

    A su vez, hoy en día se conoce que los protones y neutrones están formados por otras partículas más pequeñas: los quarks, concretamente están formados por tres quarks cada uno.

    Hay seis «tipos» de quarks conocidos, a los que (con una cierta imaginación) se les ha llamado top, botton, up, down, charm y strange. Y la peculiaridad que tienen es que fueron las primeras partículas que se conoció con una carga inferior a la del electrón, e, (que se consideraba fundamental), ya que cada uno de ellos tienen carga o –e/3 o + 2/3 e.

    Actualmente, los quarks se consideran irreducibles, es decir, no están formados por otras partículas más pequeñas.

    ¿Qué es lo extraño en que se vea «solo»?

    Lo que se ha logrado en este experimento, es observar un quark top solitario.
    La extrañeza del logro, radica en que para observar quarks, hay que bombardear con muy altas energías a los protones y neutrones con sus respectivas antipartículas, para conseguir que se «desunan» los quarks que los forman y podamos verlos como tales.
    Esto, normalmente se produce por efecto de la fuerza nuclear fuerte (una de las 4 fuerzas fundamentales en la naturaleza), con la que se producen siempre pares de este tipo de quark, y por lo tanto nunca se había podido ver un único quark, sin su respectiva pareja.

    Sin embargo, esta vez se ha observado debido a la interacción con otra fuerza: la nuclear débil. Ésta provoca que un único quark top «salga» del nucleón (nombre genérico para el protón o neutrón).
    Lo complicado de este segundo método es que es muy difícil de detectar, ya que aproximadamente una de cada 20.000 millones de colisiones producen un quark de este tipo, mostrando una señal muy débil (casi ocultada por el ruido que haya de fondo).

    Por lo tanto, a pesar de que hace ya 14 años de que se descubrió el quark top, nunca antes se le había conseguido ver «soltero».

    ¿Qué ventajas puede traernos este descubrimiento?

    Una de las cosas más importantes que ha traído esta detección es que el avance que se ha conseguido en métodos de análisis de datos (que han sido usados por primera vez para conseguir detectar este quark) ya se está aplicando a partir de este momento en la búsqueda de otras partículas igual o más difícil de detectar, como es el bosón de Higgs, lo cual facilitará mayores avances en estos estudios.

  • Más información en Amazings.
  • MACHOs vs WIMPs

    wimp.jpg

    Después de algunas sugerencias, escribo esta entrada sobre estas dos «cosas», que casi todo el mundo estará intrigado por qué significan o qué son, sobretodo después de decir que wimp en inglés significa algo así como «afeminado», y macho… está claro para todos los hispanohablantes.

    Y como su nombre deja entrever, las dos pertenecen a dos teorías rivales (opuestas) de la física actual, ninguna de ellas provada, por lo que todavía no se ha podido descartar una en favor de la otra…(y con una probabilidad no muy baja, las dos podrían ser erróneas, o tener su parte de verdad las dos…).

    Como se puede comprobar en estas teorías, los científicos suelen tener muy poca imaginación para poner nombre a sus teorías o predicciones, pero cuando se les ilumina la bombilla, que tiemble el mundo…

    Las causas de las dos corrientes

    En el Universo, la fuerza que gobierna los movimientos de los planetas, estrellas, galaxias, etc únicamente es la gravedad. Ésta hace que dos masas se atraigan cuanto más próximas estén y más masivas sean.
    Actualmente, la teoría que tenemos para describir la gravedad es la Teoría de la Relatividad General, enunciada por Einstein en 1915, y con ella podemos describir de una forma bastante precisa los movimientos de dichos cuerpos.
    Sin embargo, actualmente se observa que los movimientos de las galaxias y de los cúmulos de galaxias están gobernados por una masa mayor de la que observamos.

    Esto puede implicar dos cosas: o bien que realmente existe más masa de la que vemos, o que las teorías que usamos fallan.
    Como siempre es «aconsejable» suponer que las teorías siguen funcionando… suponemos que se debe a la existencia de más materia, que como no la vemos, la llamamos materia oscura, e involucraría a más del 95% de la materia total del Universo.

    Y aquí es donde entran en juego las dos teorías:

    los MACHOs

    Esta línea explica que esta materia oscura no es ninguna materia no conocida o nueva, sino que consta de objetos perfectamente conocidos, solo que demasiado débiles como para ser detectados.
    Básicamente, estos cuerpos podrían ser planetas aislados, enanas blancas, enanas marrones, agujeros negros, estrellas de neutrones…., así como neutrinos, todos ellos objetos de dimensiones bastante reducidas (salvo ene algunos casos los agujeros negros) y muy poco o nada luminosos, por lo que sería muy difícil detectarlos a grandes distancias.

    Así que si estos cuerpos estarían repartidos por toda la galaxia y de forma aislada, no podríamos detectarlos, pero seguirían contribuyendo a la masa de la galaxia.

    El principal problema de esta teoría es que puede explicar razonadamente bien hasta el 20 % de esta materia, pero no puede explicar toda la masa que no vemos.

    WIMPs

    Por contrapartida, la otra corriente predice que dicha materia no se puede ver porque no forma parte de la materia conocida, sino que consta de otras partículas diferentes, que no interactúan por fuerzas electromagnéticas, lo que provoca que no emitan ningún tipo de radiación, como la luz, aunque sí interactúan por medio de la gravedad (la única forma actualmente que tenemos para verlas) y por la fuerza nuclear débil (la responsable de la radiactividad, por ejemplo).

    Esto provoca que existe partículas que no conocemos, y que ninguna teoría actual (y por actual quiero decir asentada en la comunidad científica, o suficientemente provada experimentalmente) predice.

    Para que existan tales partículas y que no hayan podido ser detectadas hasta ahora (ni en los aceleradores de partículas), solo cabe la posibilidad de que éstas sean extremadamente masivas (mucho más de lo que lo es un protón por ejemplo).
    Una consecuencia de esta gran masa es que deberían de moverse muy despacio, por lo que deberían de formarse aglomeraciones de materia oscura, lo cual casa de una forma bastante aproximada con las distribuciones observadas en el Universo.

    Así que la pregunta que podemos hacernos es ¿qué pueden ser esas partículas?
    El modelo estándar de la física no las predice, por lo que nos debemos ir a teorías más hipotéticas.
    En concreto, la hipótesis más fiable para dichas partículas la produce la teoría de la supersimetría, que predice que cada partícula conocida tiene una partícula «supersimétrica» con una masa mucho mayor. Entre estas partículas, se encuentra el neutralino, originado por una «combinación» de fotinos (el compañero supersimétrico del fotón), bosino (compañero del bosón) y el higgsino (hermano del bosón de Higgs).

    Aunque puede parecer que esta teoría es un poco «cogida con pinzas», es muchos ámbitos de física teórica se da por supuesta, siendo indispensable para que cobre sentido varias teorías, como puede ser la teoría de supercuerdas (adivinad de dónde viene ese prefijo «super-«…).

    Sólo el tiempo dirá cuál es la solución a uno de los mayores problemas de la física actual. Y esperemos que ésta venga junto con una gran teoría de unificación.

    PD: el de la foto de arriba… a cual de los dos grupos pertenecería ¿? 😉
    En la Wikipedia tenéis una explicación de los WIMPs, aunque no así de los MACHOs.

    Neutrinos

    neutrinos.png
    Hoy toca hablar sobre una de las partículas más escurridizas que conocemos: el neutrino.

    Así que comencemos por cómo se descubrió.
    Durante el primer tercio del siglo XX se conocía que los átomos estaban formados por protones, electrones y neutrones. Además, se sabía que si éste último se encontraba fuera del átomo, se descomponía en un protón y un electrón.
    Sin embargo, algo no cuadraba. En esta descomposición, ni la energía ni la cantidad de movimiento (momento) se conservaban, algo que incumplía los principios básicos de la física (en su día ya expliqué por encima la conservación del momento).
    Por lo tanto, se hizo una de las cosas más frecuentes en física de partículas: si las cosas no cuadran… se añade la existencia de una partícula hasta ahora desconocida, que en este caso es nuestro protagonista, el neutrino.

    Y además de «predecir» su existencia, se sabía algunas características que debería tener: no poseer carga eléctrica y tener una masa muy pequeña o nula.

    ¿Por qué es escurridizo?

    El problema y la causa de que no se detectase hasta 12 años después de predecir su existencia radica en que es muy tímido: no interacciona prácticamente nada con la materia. Por lo tanto, da igual lo que se encuentre por el camino, él sigue hacia delante sin pararse ante nada, ya sea un átomo de hidrógeno, una piedra, un planeta o una estrella.
    Y como no interacciona, no podemos ver que está ahí.

    Entonces, ¿cómo se detectan?

    Hemos dicho que «casi» no interacciona. Y con este casi, nos referimos a que de vez en cuando alguno sí interacciona con algún electrón.
    Por suerte, sabemos que cada segundo atraviesan la Tierra una enorme cantidad de ellos: del orden de un billón de ellos te atraviesan cada segundo, de los que aproximadamente uno interactuará contigo.
    Esto significa que necesitaremos un detector enorme y bastante denso para incrementar las posibilidades de observarlos.
    Por ejemplo, si quisiéramos detectar la mitad de los neutrinos que nos atraviesan, necesitaríamos un bloque de plomo de un año-luz de longitud (unos 10 billones de metros).

    Pero nos conformamos con mucho menos con tal de que el detector quepa en la Tierra. Así que lo que se hace es crear grandes recipientes llenos de agua (de los que algunos contienen varios millones de litros) a varios kilómetros de profundidad, normalmente en antiguas minas.

    Así, aumentamos las posibilidades de que interactúen en dicho recipiente, ya que primero han tenido que atravesar la Tierra (cuanta más masa traspasen, más probabilidades de que choquen contra algo), además de reducir las interacciones debidas a otras partículas, como los rayos cósmicos, que entran en la atmósfera.

    ¿Por qué el agua?

    Bueno, el agua es el medio elegido en la mayoría de los casos debido a que se necesita un material transparente para poder ver la luz emitida al colisionar éstos con la materia. Además, el agua es un material que facilita las interacciones con los neutrinos, aunque no tanto como materiales pesados como el plomo. Pero la diferencia de llenar un supertanque de agua a llenarlo de otro material, sobre todo en el tema económico y de recursos, facilita que se elija a éste.

    Y como muchos estaréis pensándolo ahora mismo… sí, el oceano es agua, así que sería un muy buen detector, sobre todo porque su tamaño es considerable.
    Las primeras pruebas en los años ’80 fueron precisamente en las costas de Hawaii, aunque la inestabilidad de las corrientes no permitían unas buenas detecciones.
    Pero actualmente también hay varios proyectos para construirlos a grandes profundidades.

    Y otra opción es el hielo de la Antártida, el cual es utilizado actualmente por AMANDA y a partir del año que viene por IceCube. Y consisten en eso, enterrar a varios kilómetros los detectores, y dejar que todo el hielo de alrededor haga de zona de impacto.

    ¿Qué se sabe ya de ellos o por qué tanto interés?

    Bueno, actualmente parece que se ha comprobado que tienen masa, muy pequeña (menor a 200.000 veces la del electrón), pero tienen.
    Además, dado que son partículas emitidas en gran número por fenómenos como las supernovas o núcleos de estrellas, su estudio nos puede dar más información sobre estas.

    Al igual que ocurrió con la supernova que estalló en 1987 en la Gran Nube de Magallanes (SN 1987A), que primero fue detectada por los «observatorios» de neutrinos, los cuales se volvieron locos al detectar unas cantidades impensables hasta entonces de estas partículas. Y acto seguido fue cuando se vio la supernova, relacionando dicho fenómeno con ese estallido de neutrinos.

  • En la imagen se puede ver a varios ingenieros reparando los detectores. Todo eso es una parte de la pared del tanque, que ha sido semi vaciado para que los chicos no tengan que bucear.
  • Un buen artículo sobre los neutrinos en El Tamiz.
  • El Bosón de Higgs

    Dada la aparición del bosón de Higgs como el objetivo de tantos experimentos científicos últimamente, y que tanta fama ha cogido últimamente gracias a la prensa, pero del que no se detalla mucha información, escribo este post para intentar explicar a grandes rasgos qué es exactamente (he intentado explicarlo de la forma más fácil que he podido, dejando muchos temas o utilizando vagamente ciertas definiciones).

    El bosón de Higgs es una partícula (un bosón concretamente) predicha por el modelo estándar de física de partículas, que todavía no se ha observado en ningún experimento, y que puede aportar información acerca de por qué la materia (o mejor dicho, sus respectivas partículas) tienen masa.

    Pero vayamos paso a paso:

    ¿Qué es un bosón?
    Un bosón es uno de los dos tipos elementales de partículas, y que tienen como propiedad no cumplir el principio de exclusión de Pauli y tener un spin entero.
    El principio de exclusión de Pauli nos dice que dos partículas iguales (se cumple para los fermiones solamente, el otro tipo de partículas y que son los electrones, quarks, etc) no pueden estar en el mismo orbital o región del espacio. Este principio, que parece tan sencillo, provoca que en un átomo todos sus electrones no se apelotonen hasta la órbita más baja posible, sino que se mantengan en distintas órbitas (realmente llamadas orbitales, pero mejor no complicar más las cosas). Y también es el causante de que no podamos atravesar las paredes, por ejemplo.
    En cuanto al spin, ésto básicamente es una medida del momento angular, o cantidad de giro, que posee una partícula.

    ¿Qué es el modelo estándar?
    El modelo estándar es la teoría que se tiene actualmente (y desde los años 70) para explicar todas las interacciones entre la materia y todas las fuerzas conocidas, a excepción de la gravedad.
    Todos los experimentos que se han realizado hasta el momento han verificado la teoría, si bien en ciertos casos ha sido necesario añadir ciertos «arreglos», como el periodo inflacionario, poco después del Big Bang.
    Sin embargo, se sabe que no es una teoría definitiva por lo que hemos dicho antes: deja de lado la gravedad. Con lo que hace falta un paso más para poder unir todas las fuerzas bajo una sola teoría.

    ¿por qué puede aportar pistas sobre la masa?
    Actualmente hay un problema en todas las teorías físicas: ninguna puede explicar de dónde sale la masa, dejando a ésta como una propiedad de los cuerpos pero sin más explicaciones.

    La única (o quizá mejor dicho, la mejor) que puede explicar la masa, es el campo de Higgs. Un campo, al igual que el campo eléctrico, magnético o gravitatorio, es una magnitud que está presente en toda la región del espacio, y toma un valor diferente en cada punto de éste. Fue un concepto que se introdujo para explicar las fuerzas que se pueden ejercer a distancia (como la gravedad) y es un concepto que aún hoy no se tiene una explicación muy buena (o sencilla) desde el punto de vista físico.

    Lo valioso de este campo de Higgs, es que da un valor a cada partícula elemental, que se corresponde precisamente con la masa de dicha partícula. Y este campo define una partícula (la portadora de la interacción que produce dicho campo), ya que en mecánica cuántica, cada interacción (eléctrica, nuclear, gravitatoria,…) se puede explicar como una interacción de una partícula, en este caso el bosón de Higgs.

    Luego, descubierta la partícula, verificado (o descubierto) el campo, con lo que ya tendríamos una explicación para la masa (con varios matices, por supuesto). Y en esto radica todo el misterio.

    Todo lo demás (lo de llamarlo la partícula de Dios, etc) no son más que publicidad (principalmente de la prensa) para hacer famosa a la partícula o los experimentos. Aunque con esto no quiero dar la impresión de que no tenga importancia, que la tiene por todo lo que puede explicar… o demostrar de cuán equivocados estamos.