Científicos observan partícula que se mueve a la velocidad de la luz

laboratorio del DUH donde se logró crear luxones

Actualización: ver más abajo!

Hace unas horas científicos del Der Umweltverschmutzung Honkenbrakenscreecher (DUH), al sur de Alemania han anunciado la observación de una partícula que de acuerdo a sus mediciones parece moverse a la velocidad de la luz, llamada luxón. Este anuncio llega al final de un año en que los neutrinos (en el experimento OPERA) y el bosón de Higgs (en el LHC) han sido protagonistas de los anuncios mediáticos, sin embargo la posibilidad de que los neutrinos sean superlumínicos sigue esperando una conformación independiente por otro experimento y las señales del Higgs son muy débiles para llegar a cualquier conclusión.

Este nuevo anuncio ha dejado perpleja a toda la comunidad científica ya que la significancia estadística del resultado presentado es de (9 sigma!). Los investigadores del DUH, dirigidos por la física Alison Wonderland, han utilizado un tipo conocido de partículas llamadas bradiones. Los bradiones pueden tener carga eléctrica, aunque también existen bradiones neutros. Los bradiones negativos son conocidos desde fines del siglo XIX y a principios del siglo pasado los primeros bradiones positivos fueron descubiertos por Rutherford. Un sistema bradiónico ligado puede vivir en equilibrio cuando bradiones negativos se mueven alrededor de un grupo de bradiones neutros y cargados positivamente. Experimentando con diferentes materiales, científicos del DUH han logrado excitar un tipo especial de sistema bradiónico, el cual al disminuir su energía emite paquetes de energía, lo que ha sido interpretado como las anunciadas partículas llamadas luxones. El equipo ha observado que las emisiones luxónicas ocurren espontáneamente, pero en su experimento han logrado estimular el sistema para producir emisiones amplificadas.

Uno de los detalles notables de este descubrimiento es la simplicidad del experimento realizado en comparación a los grandes experimentos en los que participan miles de científicos, en las palabras de Wonderland “hemos demostrado que pequeñas colaboraciones realizando simples experimentos pueden hacer importantes aportes a la ciencia”. A pesar del reciente anuncio, Wonderland señala que han observado los luxones hace varios meses, sin embargo los miembros del equipo quisieron verificar todas las posibles fuentes de error para asegurarse de que no se tratara de una falsa alarma antes de hacer el anuncio oficial y así evitar una avalancha de críticas como ocurrió con los neutrinos superlumínicos. Las posibles aplicaciones de los luxones serían enormes dadas sus propiedades. La partícula observada tiene espín 1 (por lo cual es un bosón) y no posee carga eléctrica (es neutro), sin embargo pruebas preliminares sugieren que podría interactuar con partículas cargadas. Estas propiedades indican que los luxones podrían tener aplicaciones tecnológicas ya que podrían ser generados al acelerar electrones: variando la manera en que los electrones son acelerados para generar luxones, información podría ser codificada y enviada a otro lugar, lo cual requiriría el desarrollo detectores de luxones. Además diferentes teorías sugieren que luxones podrían ser creados en reacciones nucleares en las estrellas, por lo que el trabajo de Wonderland y su equipo podría ayudarnos al estudio del cosmos con el desarrollo de potentes detectores para captar los luxones emitidos desde las estrellas lejanas y también nuestro Sol. Finalmente, el grupo del DUH piensa que luxones de diferentes energías podrían ser producidos artificialmente en dispositivos relativamente simples, los cuales podrían incluso excitar nuestra retina haciéndolos visibles para los humanos. Es muy pronto para estar seguros de las implicancias y aplicaciones de los luxones, pero este anuncio muestra que el 2011 nos ha traído muchas sorpresas. Más información será presentada esta tarde en un seminario especial en el DUH, donde todos los medios estarán cubriendo esta noticia. Habrá transmisión en vivo, cuando tenga mas información este post será actualizado.
__________________________________________________________________________

Sección añadida en Diciembre 29, 2011

Personalmente no me llaman la atención las bromas de inocentes, por un lado encuentro que son una pérdida de tiempo, por otro lado provienen de una referencia religiosa (prefiero no opinar). Sin embargo, no quise dejar de aprovechar la tendencia masiva y escribir un post que más que broma de inocentes prefiero usar este concepto.

A pesar de ser un post Bazinga!, no quise usar conceptos falsos por lo cual procedo a explicar los mencionados en el post:

1. El Der Umweltverschmutzung Honkenbrakenscreecher por supuesto no existe, sólo tomé tres palabras al azar que formaran la sigla DUH (que de acuerdo a las estadísticas del blog algunas personas buscaron en Google). Tampoco existe la Dra. Alison Wonderland, notar que al leer rápido el nombre suena como Alice in Wonderland; y obviamente el seminario nunca ocurrió. Estas son las únicas invenciones a lo largo del post.

2. Que una partícula se mueva a la velocidad de la luz no es sorprendente, después de todo (y como Carlos muy bien señala en su comentario) esto es lo que los fotones hacen, así como cualquier otra partícula sin masa.

3. El nombre luxón no es un invento mío, es un nombre oficial antiguo (casi nadie lo usa) que se le daba a las partículas sin masa, las que por lo tanto se mueven a la velocidad de la luz.

4. El nombre bradión tampoco es un invento mío, así como luxón, se usaba antiguamente para calificar a cualquier partícula que se mueve más lento que la luz, es decir, partículas masivas (también se les llamaba tardión o ittión). Por ello, al decir bradiones negativos en el post me refería a los electrones (descubiertos en 1897 por Thompson) y los bradiones positivos y neutros corresponden a los protones y neutrones en el núcleo atómico; al decir materia bradiónica me refería simplemente a un átomo. Hay que agregar que hay un tercer nombre antiguo que no ha perdido su vigencia, el taquión, que como sabemos se refiere a partículas hipotéticas que podrían moverse más rápido que la luz.

5. La descripción de bradiones negativos emitiendo luxones es nada más que las transiciones de los electrones en el átomo emitiendo fotones. Además, la idea de la estimulación para lograr emisión luxónica (fotones) amplificada es nada más que el funcionamiento de un láser, como Felipe nos contó en un post anterior.

6. A algunos les sorprendió la alta significancia estadística del resultado (9 sigma). Sin embargo es importante destacar que hay muchas mediciones que tienen incluso mayor significancia, por lo tanto decir 9 sigma indica un resultado extremadamente convincente pero no irreal ya que hay varios de esos (lo que dará para un futuro post).

7. Las propiedades de los luxones descritos (espin 1 y neutros) y la interacción con partículas cargadas son justamente las propiedades del fotón, como contamos en un post anterior sobre las interacción electromagnética.

Gran detector de luxones (VLT) con el cometa Lovejoy

8. Las aplicaciones tecnológicas de los luxones (fotones en este caso) son muchas y no hace falta describirlas, quizás en un futuro post sobre, por ejemplo, la fibra óptica. Los detectores de luxones obviamente existen, hay uno en cada cámara fotógráfica y CCD. Se usan en astronomía, justamente los potentes detectores para captar los luxones mencionados es lo que llamamos telescopios.

9. La codificación de información con luxones es lo que llamamos ondas de radio. La creación de luxones al acelerar electrones es también una realidad, así es justamente como las emisoras de ondas electromagnéticas (usando antenas) funcionan.

9. Los luxones (fotones) vienen en diferentes energías, y para un rango particular pueden excitar nuestra retina, eso es lo que llamamos luz visible. La pantalla de tu computador es un emisor de luxones a una energía tal que excita tu retina y por lo tanto puedes leer esto.

Sólo quiero insistir en que si bien este post era una broma, el contenido está basado en conceptos reales y correctos. Además hay varias cosas de las que podremos hablar en futuros posts.

Imágenes: Intense Laser-matter Interactions, ESO.

Una mirada física al regalo navideño estrella: La bicicleta

Debido a la celebración de la Navidad (o al cumpleaños de Newton para otros), quise escribir un post mucho más simple (en términos de física) y volver a la querida física clásica para relajarnos un poco de tantos neutrinos o bosones que nos han mantenido (justificadamente) atentos a las noticias científicas. Bueno, como costumbre la casa se llena de regalos, en especial para los niños. Y aunque los comerciantes intenten crear el juego más novedoso para vender, el regalo estrella para las navidades es (y me parece a mi que siempre será) la querida bicicleta. Casi todos recordamos con cariño nuestras bicicletas de infancia; asi que me pareció correcto para la ocasión hablar de algo de la física detrás de la querida bicicleta.

Al aprender a andar en bicicleta, lo primero que debemos hacer es chequear que las ruedas se encuentren correctamente infladas. Para esto, el fabricante recomienda una presión para cada bicicleta (~50psi para una Bicicleta de Montaña o ~90psi para una pistera) Debemos recordar que la presión se define como presión = fuerza/área Por lo tanto, una rueda que tenga menor área de contacto con el piso (como la pistera) debe tener una mayor presión para soportar al mismo “jinete”. En el caso de los autos, las ruedas se inflan a menor presión (~28-32 psi) y claramente soportan un mayor peso. Pero no hay que olvidar que el área de contacto con el piso es bastante mayor, por lo que la fuerza que soportan es mayor.

El siguiente paso, es andar sin caerse. En este sentido, los conceptos claves son el momentum angular, el efecto conocido como “efecto giroscopio” y la fuerza centrípeta/centrífuga. Todos estos conceptos, dependen de la velocidad del cuerpo (o de la velocidad de las ruedas, que es básicamente lo mismo). Una mayor velocidad de las ruedas dará mayor estabilidad frente a pequeñas “perturbaciones” en el movimiento de las ruedas, lo que implica mayor estabilidad de la bicicleta en su conjunto. Por otro lado, al caerse lo que ocurre es que uno intentó doblar hacia un lado, pero de manera incorrecta. Al doblar, uno debe torcer el manubrio levemente o inclinar la bicicleta hacia un lado. En ambos casos, el ciclista describe una sección de circulo que es posible describir a partir de la fuerza centrípeta. Si el ciclista insiste en no describir el circulo apropiado para la velocidad que lleva, se caerá inevitablemente. Bueno… todo esto lo hemos aprendido la gran mayoría de nosotros de manera bastante experimental (mis rodillas en la infancia asi lo demostraban)

Luego, viene todo el tema de aprender a usar los cambios. Hay una serie de engranajes de distintos diámetros unidos por una cadena. Lo primero, es la cadena. La cadena cumple el rol clave de mantener las rapideces tangenciales (la rapidez del extremo del disco) de los discos delanteros y traseros iguales (ya que no se estira ni se comprime). Y aqui, el concepto de torque es clave. ¿Que es el torque? Es la magnitud física que hace girar los cuerpos (o detenerlos en el caso de que ya esten girando) y depende de la distancia al eje de giro y la fuerza que aplico en ese punto para hacer que un cuerpo gire. Por eso, cuando queremos abrir una puerta facilmente, aplicamos la fuerza lo más alejado posible de las bisagras (eje de giro) y asi aumentar el torque que nosotros aplicamos. Los pedales es lo mismo. El juego de discos delanteros tienen diametros distintos y para todos los que saben usarlos, saben que para una subida se coloca el de menor diametro adelante y el de mayor diametro atras. Y para ir lo más rápido posible haciendo el menor esfuerzo, la idea es tener el de mayor diametro adelante y el de menor diametro atras. ¿Como se explica esto?.

Si queremos subir, necesitamos que la rueda de atrás haga el mayor torque posible para que ésta gire. Asi que debemos hacer que el disco trasero tenga el mayor diametro posible!. Y como nosotros queremos hacer el menor esfuerzo con nuestros pies para lograr el mismo movimiento tangencial del disco trasero; hacemos que el disco delantero tenga el menor diámetro posible. Asi el torque que le daremos al disco delantero será mínimo, pero haremos que la cadena gire. En el caso de ir lo más rápido posible, el efecto es el contrario. Queremos que el disco de atrás de la mayor cantidad de vueltas para un mínimo de vueltas que demos en el disco delantero. El torque que ejercemos en la rueda de atrás es mínimo (y por eso es más fácil cuando uno ocupa esta modalidad en bajada), pero el suficiente que permita alcanzar altas velocidades con unas pocas vueltas en el disco delantero (nuestros pies)

Bueno… hay bastantes cosas que se pueden entender de física, simplemente mirando nuestros juguetes… sólo tenemos que saber mirar y relacionar con las cosas que en algún momento de la vida aprendimos (o intentamos hacerlo)

Feliz Navidad  (o feliz Janucá o feliz cumpleaños de Newton) a todos

Excitación genera descubrimiento de partícula excitada en el LHC y por qué esto no es muy excitante

Esta mañana leí el titular el LHC descubre su primera partícula nueva (gracias Felipe). Con la revuelta que el bosón de Higgs produjo en los medios hace unos días y con el de palabras como nueva partícula y bosón en los titulares de hoy es importante aclarar un par de detalles.

Para comprender qué se ha descubierto es útil recordar nuestro post anterior, en el que señalábamos que el modelo estándar de física de partículas es para los físicos el equivalente a la tabla periódica de los elementos para los químicos. A partir de un grupo determinado de partículas elementales (es decir, que no están compuestas por otras partículas) se pueden formar partículas compuestas (como su nombre lo indica, están formadas a partir de partículas elementales, como discutimos hace un tiempo en este post). Siguiendo con la analogía con la química, de la misma manera que dos elementos, como el hidrógeno (H) y el oxígeno (O) pueden unirse en un estado ligado (bound state en inglés) para formar una molécula de agua (), en física de partículas los quarks pueden unirse para formar estados ligados, similares a una molécula, pero formada por partículas fundamentales en vez de elementos químicos. Estas moléculas de partículas fundamentales (estoy llamándolas moléculas sólo como analogía, no es un nombre oficial) se llaman hadrones, sí hadrones, como el nombre del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), si el nombre te parecía extraño ahora es simple de entender: el LHC es una gran máquina que hacer colisionar partículas formadas por quarks (hadrones), en particular los protones usados en el LHC están compuestos por tres quarks.

ATLAS ha comunicado que se ha observado una nueva partícula, un hadrón formado por un quark bottom y un antiquark bottom (el quark botom a veces es llamado quark belleza) llamado . Este estado ligado (o “molécula de quarks”) es a veces denominado bottomonium. Notar un importante detalle: ATLAS ha comunicado, no anunciado. Cuál es la diferencia? El comunicado ha sido a través de un paper aparecido en el arXiv (el repositorio electrónico donde los físicos hacen públicos sus papers mientras esperan por ser publicados en una revista oficial) el día de ayer. No es un anuncio porque no se ha llamado a los medios ni nada por el estilo. Por qué no? Si bien se ha observado algo nunca antes visto y verificado algo que se había teorizado, este tipo de descubrimientos no tienen la misma relevancia que la observación de una partícula fundamental (como el Higgs) porque a veces se abusa del término nueva partícula. Por ejemplo el bottomium ha sido observado antes, sin embargo el observado ahora en ATLAS es un estado excitado, es decir, tiene mayor energía (entre otras propiedades diferentes respecto al observado antes), pero no es una nueva partícula. Notar que el nombre de la nueva partícula incluye el apellido “3P”, que es la notación que los físicos usan para catalogar sus propiedades, antes se había observado el y el (si has tomado clases de química puedes ver la directa relación con la llamada notación espectroscópica de los orbitales electrónicos: 1s, 1p, 2s, 2p, 3s, 3p…). Esto no le quita importancia al descubrimiento, pero también muestra por qué ATLAS no llamó a los medios para anunciarlo. Es importante porque corrobora que los modelos teóricos de hadrones funcionan bastante bien, en teoría sabíamos que el debía existir, ahora estamos seguros.

En resumen, es un interesante resultado que ha llevado a la colaboración ATLAS a enviarlo para publicación a la prestigiosa revista Physical Review Letters ya que valida nuestro entendimiento teórico de los hadrones, pero no es tan interesante como para llegar a los titulares de los medios. Como dice Matt Strassler en su blog, más impresionante que el descubrimiento mismo lo que impresiona es leer el titular en la web de la BBC.
Por último, tiene alguna relación este descubrimiento con el bosón de Higgs? La respuesta es no, el es un bosón al igual que el Higgs, sin embargo esto sólo significa que poseen una propiedad llamada espín similar, pero no tienen otra conexión. Relacionar a el con el Higgs sería como relacionar peras con manzanas sólo porque ambas son frutos.
Detalles más técnicos pueden encontrarse en Francis Science News.

El bosón de Higgs

Hace tiempo que planeo escribir este artículo sobre el famoso bosón pero dados los acontecimientos de hoy, hablar de esto es más necesario que nunca.

Qué es el bosón de Higgs?

De la misma manera que los químicos usan la tabla periódica de los elementos con todas las propiedades para construir moléculas, los físicos tienen una tabla periódica de partículas elementales, y la teoría que las describe se llama Modelo Estándar. Este modelo es una construcción matemática que debe verificarse. El modelo predice que deben existir 16 partículas diferentes, las 16 han sido observadas en diferentes experimentos lo que convierte al modelo estándar en un logro teórico monumental que funciona muy bien describiendo la naturaleza. Sin embargo el modelo estándar predice algo que no se observa: nos dice que todas las partículas tienen masa cero (lo cual obviamente no es cierto), a menos que exista otra partícula. Esa partícula se llama bosón de Higgs.

Bosón de Higgs y campo de Higgs

A pesar de que suenan muy parecido, no son la misma cosa. En teoría, el campo de Higgs es una sustancia que llena cada rincón del universo, no podemos verla, sentirla, olerla, pero podemos medir su efecto: las partículas tienen masa (al igual que no podemos ver el viento pero sí medir sus efectos). Una buena analogía para el campo de Higgs es cuando estamos bajo el agua, la que permea todo a nuestro alrededor. Para comprender cómo las partículas tienen masa gracias al campo de Higgs es importante entender que la masa de una partícula es una medida de su inercia, o cuánto le cuesta moverse. De la misma manera que cuando estamos bajo el agua nos cuesta movernos, cuando las partículas se propagan en el campo de Higgs les cuesta moverse, el cuánto les cuesta es lo que llamamos la masa de la partícula.

Y entonces, qué es el bosón de Higgs? Si bien no podemos ver el campo de Higgs algo que podemos hacer es perturbarlo, tratar de hacerle algo para que manifieste su presencia. Así como no vemos el aire pero si aplaudimos cerca de una vela, ésta se apagará porque perturbamos el aire a su alrededor. Siguiendo con el ejemplo de estar bajo el agua, si aplaudimos fuertemente bajo el agua generaremos pequeñas corrientes que producirán efectos observables, como el movimiento de un alga cercana, o espantar a los peces. En esta analología, el agua es el campo de Higgs, el aplauso es la colisión de un par de partículas (dos protones en el caso del LHC) y la corriente o perturbación (los físicos le llaman excitación) del agua es el bosón de Higgs. En otras palabras, el campo de Higgs permea el universo haciendo que a las partículas les cueste moverse (esto significa que tengan masa), y una excitación de este campo es el bosón de Higgs. Generar corrientes con aplausos bajo el agua no es tarea fácil, el mismo problema enfrentan los físicos usando un generador de aplausos bastante grande y costoso.

Ahora, cuáles serían los efectos observables si se crea un Higgs? Al ser una partícula pesada (cientos de veces la masa de un protón), el Higgs es inestable y decae rápidamente en otras partículas, esas son las partículas que hay que buscar. Estos restos del Higgs serían el espantar los peces en la analogía. El LHC es una máquina que genera fuertes aplausos (colisiones de partículas) bajo el agua (en el campo de Higgs) y los detectores como ATLAS y CMS buscan ver si los peces son ahuyentados (los efectos de las excitaciones del campo de Higgs).

Cómo se busca el bosón de Higgs?

El modelo estándar es tan poderoso que permite calcular los diferentes procesos que pueden ocurrir. Los cálculos pueden ser horribles pero establecen claramente qué debe ocurrir, por ejemplo, cuando se hacen chocar un par de protones. En particular el modelo estándar permite calcular la probabilidad de que el Higgs decaiga en un determinado set partículas que se miden en los detectores (un determinado modo de decaimiento o tipos de partículas en las que el Higgs decae se llama canal, existen muchos canales, algunos más importantes que otros). Todos estos cálculos dependen de un parámetro desconocido: la masa del bosón de Higgs. Si no sabemos su masa, cómo la buscamos? Fácil, se elige un valor para su masa, por ejemplo, GeV y con eso los físicos teóricos calculan qué debería verse en el experimento, ahí entran los físicos experimentales. Si el resultado no coincide con la observación se cambia la masa otro valor y se repite el proceso, y así hasta barrer con diferentes valores de la masa. Hace una década que sabemos que la masa del Higgs no puede ser menor a 114 GeV (naranjo en la figura) gracias a los estudios realizados en LEP, el predecesor del LHC en CERN. También sabemos que no puede ser muy grande (mayor a 800 GeV) porque el modelo estándar se vuelve inconsistente (verde oscuro en la figura). Estudios muestran que si el Higgs tiene una masa mayor a 450 GeV surgen problemas con otros experimentos (rosado en la figura). Eso significa que hay un rango de 114-450 GeV en el que el Higgs podría esconderse. Así que la tarea es simple: machacar muchos protones y estudiar si el Higgs aparece en este rango.

El Tevatron en Fermilab (ahora retirado), también aportó en la búsqueda de la aguja (Higgs) en el pajar (rango de 114-450 GeV), permitiendo excluír (mostrar que el Higgs no existe en) una región intermedia: 158-175 GeV (región verde en la figura).  Esta era la situación hasta el año pasado. Este verano, el LHC estudió un amplio rango de 141 a 470 GeV, mostrando que tampoco hay Higgs en esa zona (región en rojo). Como vemos, queda bastante poco por explorar, el Higgs está acorralado en la pequeña ventana entre 115 y 141 GeV. Si el Higgs existe, debe estar en esa región!

El anuncio de hoy

Hace semanas que veníamos escuchando que CERN llamó a los medios para un seminario doble ATLAS+CMS donde se presentarían los últimos resultados de estos dos experimentos. Los medios ardían en hipótesis infundadas ya que sólo bastaba con leer la invitación de CERN donde decía que con los datos disponibles no se podría anunciar algo concluyente. El seminario fue esta mañana y fue un agrado poder seguirlo en vivo, aunque la transmisión se cortaba. Fue interesante también ver la reacción en Twitter, donde palabras como CERN, Higgs, GeV, y Fabiola (por Fabiola Gianotti de ATLAS) se convirtieron en trending topics mundiales. También hubo momentos divertidos como cuando en el laboratorio con mayor densidad de científicos en el mundo no podían encender el micrófono o activar un teclado. Mucha curiosidad causó también el uso de Comic Sans (que también se convirtió en TT) y gif animados en la presentación de ATLAS, así como el común uso de PowerPoint. Por otro lado, mucha gente se quejó de lo técnicas o crípticas que fueron las charlas. El problema es que los medios estaban hiperventilados con este seminario (el cual no es el primero en su tipo), así son los anuncios oficiales y lamentablemente este no era un seminario para el público general. Justamente por eso es que acá intentamos contar de qué se trató el seminario y qué se anunció y qué no.
Tanto ATLAS como CMS estudiaron la pequeña ventana donde sabemos debería estar el Higgs. El resultado se muestra en la figura, que es un zoom de la anterior en el rango de interés.

ATLAS (en verde) extendió el rango de exclusión del LHC hasta 131 GeV. También excluyó el pequeño rango 112-115 GeV, dejando al Higgs entre 115 y 131 GeV. CMS (azul) excluyó desde 127 GeV hasta 600 GeV (este último no mostrado en la figura). Esto significa que el rango donde el Higgs puede esconderse se ha reducido casi a la mitad! Esto es lo más importante del anuncio de hoy, no se ha encontrado el Higgs, pero le queda muy poco donde esconderse (si existe). Por lo tanto, con otro año tomando datos el LHC será capaz de cubrir todo el rango de masas permitidos y por lo hacer un anuncio oficial, el tan esperado habemus Higgs o (el quizás más esperado por su impacto) no hay Higgs! Habrá que esperar a fines de 2012 para tener una respuesta definitiva.

Señal del Higgs?

Uno de los motivos por lo cuales este seminario fue tan comentado en los medios en semanas anteriores fue un rumor diciendo que se habrían observado señales del Higgs en ambos experimentos. Qué pasó con eso? Eran señales reales? Eran cortinas de humo de los científicos para llamar la atención? Acá quisiera aclarar un punto: los científicos llamaron a este semanario como siempre se llama a cualquier otro, el enfoque que la prensa le dio fue totalmente culpa de los medios. Había sitios en los que se le preguntaba a la gente si habría o no descubrimiento anunciado hoy, así como críticas muy fuertes a la comunidad científica cuando el tan esperado “anuncio de descubrimiento” no se hizo. Aquí quiero defender a los científicos, los cuales llamaron a los medios y se les dijo claramente desde el primer día: no hay datos suficientes para declarar algo concluyente, lo hemos repetido mucho acá y puede verse también en la invitación oficial.
Entoces, hay señales del Higgs? La respuesta es sí, ambos experimentos mostraron un exceso de eventos (es decir más eventos de los esperados si el Higgs no existiera) cerca de los 125 GeV. Sin embargo, esto no significa que el Higgs exista, ya que la significancia estadística de ambos excesos es muy baja ( en ATLAS y en CMS), lo cual es muy bajo para convencer a los científicos de que esto es un efecto real y no una mala jugada estadística de la naturaleza (para comprender la idea de significancia estadística se recomienda el leer El bosón de Higgs y la significancia de un resultado). Como describíamos antes, el Higgs será anunciado como descubierto sólo cuando la significancia del resultado sea , no antes; los físicos necesitan un 99.99994% de probabilidad de que el resultado es real antes de anunciarlo como tal. Cómo se logra eso? La respesta es tomando más datos: si la señal es real, la significancia aumentará; si la señal es sólo ruido estadístico la significancia no aumentará, así de simple, por eso con más datos se podrá dar una respuesta definitiva. Por esto es que hay que esperar hasta el 2012.

Partícula de dios

Una de las expresiones que más molesta a cualquier físico de partículas es la denominación del bosón de Higgs como partícula de dios. El uso de este nombre siempre lleva a discusiones religiosas infundadas, sin embargo los medios lo usan todo el tiempo. Por qué se llama partícula de dios al bosón de Higgs? La respuesta la encontramos en el libro del gran Leon Lederman, premio Nobel de Física en 1988 por  la invención y desarrollo de los haces de neutrinos que le permitieron descubrir que hay más de un tipo de neutrino, quien además fue director de Fermilab por muchos años y quien en 1993 publicó su libro The God Particle, de donde proviene el famoso nombre para referirse al bosón de Higgs. Por qué llamaría un físico así su libro? Lederman cuenta (en el mismo libro) que dado lo difícil que ha sido la búsqueda del bosón de Higgs, él quiso titular su libro The Goddamn Particle, sin embargo el editor pensó que usar una grosería en el título podría ofender a alguien o más importante: frenar las ventas; por otro lado usar la palabra God las aumentaría (Lederman también cuenta que hay un segundo motivo en el que relaciona la parábola de la Torre de Babel con el rompimiento de simetrías en el universo temprano, pero cuando se le pregunta él siempre sólo cuenta la primera historia). Como el editor tiene la última palabra en estos detalles el nombre quedó, desatando la ira de todo físico cuando lee titulares en los medios que usan ese nombre, o lo que es peor variantes como partícula divina, o referencias al LHC como máquina de dios. Lederman nunca le dio propiedades divinas al bosón de Higgs, el título es sólo un chiste en inglés para ganar dinero. Por eso cada vez que un medio de comunicación habla de la partícula divina está cayendo en un error de traducción terrible.
Agregaría que el libro de Lederman es una joya para cualquier persona sin estudios de física y desea aprender pasándola muy bien; sí, porque Lederman te saca carcajadas con su libro lleno de anécdotas y detalles históricos, así como descripciones detalladas de momentos que cambiaron la física y la manera que tenemos de ver el mundo. Este libro ha sido aclamado por la crítica como “el libro de física más divertido jamás escrito”. Acá se encuentra una reseña del libro en español. Además tengo en preparación un artículo sobre este libro, incluyendo una entretenida conversación con Lederman que tuve hace unos meses en Fermilab. Andas en busca de un buen regalo para celebrar el nacimiento de Isaac Newton este 25 de Diciembre? Este libro es el regalo perfecto!

En resumen

Humo negro en el CERN, non habemus Higgs (todavía). Los optimistas catalogan el anuncio de hoy como clara evidencia de que el Higgs está ahí y es cosa de tiempo para que se muestre; los más cautos advierten que muchas veces se han observado señales, incluso con significancia estadística para declarar un descubrimiento que han resultado ser falsas alarmas, jugadas estadísticas de la naturaleza.

_____________________________________________________

Links:
Las charlas de ATLAS y CMS están disponibles aquí.
Para los interesados en detalles técnicos y análisis completos de los gráficos visiten Francis Science News.
Además Cuentos Cuánticos ha elaborado un glosario de términos útiles.

Imágenes: CERN, Amazon

El bosón de Higgs y la significancia de un resultado

Detector CMS

A estas alturas probablemente muchos han escuchado los rumores sobre el bosón de Higgs. El próximo martes 13 de diciembre se presentarán los últimos resultados de la búsqueda del escurridizo Higgs en los experimentos ATLAS y CMS, eso no es un rumor, CERN ha convocado a los medios para la presentación de estos nuevos resultados. El rumor es que ambos experimentos anunciarían que se han observado señales del Higgs. Los medios que están muy sensibles en lo que respecta a noticias científicas llevan ya una semana de titulares ribombantes que la comunidad científica ha tratado de debilitar para no generar en el público expectación por algo que podría no ocurrir. En este artículo no pretendo hablar de qué se trata el anuncio del próximo martes, para eso mejor esperar un par de días y tener información fidedigna. En este artículo quisiera contar algo que puede ser de ayuda para comprender qué tan relevante es el resultado que se presentará.

Error estadístico y “los sigmas“
Los físicos son escépticos, muy escépticos. No es fácil anunciar un resultado experimental de cualquier tipo sin pasar por un duro proceso de revisión. El más conocido es el llamado revisión de pares (peer review), sin embargo incluso antes de que un paper con cierto resultado sea enviado para revisión, el estudio es sometido a estudios internos. Una de las cantidades más importantes para determinar la calidad de un resultado tiene que ver con el error en la medición. No vivimos en un mundo perfecto y por lo tanto nuestras mediciones siempre tendrán errores. Cuán bien podemos controlar esos errores es gran parte del trabajo en física experimental, donde mentes creativas consideran hasta la posibilidad más remota que pudiese afectar la medición. Una de las maneras que los físicos usan para tratar de reducir el error es repetir la medición muchas veces, ya que los errores pueden ser aleatorios y en base a las leyes de la estadística un valor muy distinto al esperado puede medirse sólo debido a lo que se llama una fluctuación estadística. Al repetir el experimento una y otra vez estas fluctuaciones disminuyen, sin embargo no desaparecen. Por ello los físicos estiman una cantidad (# o el “número de sigmas”) que indica cuán probable es que el valor medido sea un efecto real y no un error estadístico. Esta cantidad es muy importante porque permite identificar cuán significativo es un determinado resultado. La cosa es así:

• representa sólo un 68% de probabilidad de que el resultado no es un error estadístico, por lo tanto cualquier resultado de no es interesante, para nada.

• representa un 99.7% de probabilidad de que el resultado es real y no un error estadístico, por lo tanto un resultado de es bastante más interesante.

• representa un 99.99994% de probabilidad de que el resultado es real y no un error estadístico, por lo tanto un resultado de es muy interesante.

Así, mientras mayor es el “sigma” más significativo es un resultado porque implica que es más y más probable que el valor medido es real y no una mala jugada de las estadísticas.

Señal, evidencia, descubrimiento

Por qué es todo esto importante? El motivo es que el próximo martes escucharemos (según los rumores) que se han observado señales del bosón Higgs. Sin embargo tanto o más relevante es cuán significativa es esta observación. En física se usa una regla para catalogar diferentes mediciones basada en la significancia, es decir, “cuántos sigmas”:

• : un 99.7% pareciera ser muy cercano al 100%, sin embargo eso no convence a los físicos, por eso es que cualquier resultado con una significancia de menor a “3 sigma” es mirada con desprecio, y nadie la toma científicamente en serio. Usualmente se usa la expresión “señal de…” cuando la significancia es menor a 3 sigmas.
• entre y : un 99.99994% pareciera ser excesivamente cercano al 100%, sin embargo eso no es suficiente tampoco en física. Sin embargo, las probabilidades de que la señal sea ruido estadístico es bastante pequeña y cualquier resultado con una significancia entre “3 y 5 sigmas” es mirada con curiosidad ya que podría estar indicando algo importante. Usualmente se usa la expresión “evidencia de…” cuando la significancia es entre 3 y 5 sigmas.
• : una probabilidad mayor a 99.99994% es muy cercana al 100% y es el mínimo que los físicos exigen para considerar un resultado como realmente importante. La probabilidad de que la señal observada sea ruido estadístico es sólo 0.00006%, por lo tanto cualquier resultado con una significancia mayor a “5 sigmas” es motivo de celebración. En la literatura científica se usa la expresión “descubrimiento de…” cuando la significancia es igual o mayor 5 sigmas.

Un experimento sencillo

Una manera simple de visualizar la idea de significancia estadística es realizar un simple experimento: lanzar una moneda al aire. Como hay dos posibles resultados (a los que llamaremos “cara” y “sello”), la probabilidad de cualquiera de los dos posibles resultados es 50%. Esto significa que si lanzamos la moneda a veces saldrá cara, otras saldrá sello, y luego repetir el procedimiento muchas veces esperamos que en promedio la mitad de las veces salga cara y la otra mitad de las veces salga sello. Por supuesto existe la posibilidad de que lancemos la moneda y salga cara, luego la volvamos a lanzar y salga cara nuevamente, este resultado es perfectamente posible y la probabilidad de que ocurra es . Qué pasaría si lanzamos la moneda nuevamente y nos sale cara? Probablemente encontraríamos que es extraño porque la probabilidad de tener cara tres veces seguidas es sólo , diríamos que algo pasa con la moneda. La significancia de que esto ocurra “es menor que 3 sigmas” así que un físico diría “observo una señal de que esta moneda está cargada”.
Si esto nos ocurriera ocho veces seguidas pensaríamos que la moneda está cargada de alguna manera. Obtener ocho caras seguidas es muy poco probable, y la significancia de este resultado es aproximadamente . Un físico diría “observo una evidencia de que esta moneda está cargada”.
Finalmente, cuánto es 5 sigmas para convencer al físico de que la moneda está de verdad cargada y el resultado no es un error estadístico? La es respuesta es 20. Lanzar la moneda al aire y obtener el mismo resultado 20 veces seguidas es lo que se requiere para que un resultado tenga una significancia de “5 sigmas”, sólo ahí el físico dirá “he descubierto que esta moneda está cargada”, porque es extremadamente poco probable que esto ocurra 20 veces seguidas al azar. Esto muestra que en física se requiere un alto nivel de confirmación para que un resultado sea tomado seriamente. Esto muchas veces lleva a discusiones entre diferentes disciplinas, en particular a estudios con muestras pequeñas en ciencias sociales, por ejemplo estudios sobre conductas, los que a veces usan menos de 100 personas, lo que posee un mínimo de poder predictivo y en el que las fluctuaciones estadísticas pueden ser enormes y por lo tanto los resultados pueden tener significancia casi nula. Esto muchas veces hace que los físicos sean catalogados de arrogantes (lo que probablemente es cierto). Una vez leí un artículo al respecto en el que a una investigadora en física de partículas se le preguntaba qué pensaba de que se le llamara arrogante, a lo que ella respondió “arrogancia? supongo que ese es el precio por hacer las cosas bien“.

La idea de este ejemplo es sólo ilustrar cuán cuidadosos son los experimentales a la hora de reportar un resultado y cuán seguros están de lo que han observado, así como el cuidado que debemos tener cuando escuchemos un resultado. Volviendo al anuncio del próximo martes, el rumor sobre el Higgs dice que CMS ha observado una señal del Higgs con una significancia cercana a 3 sigmas, y en ATLAS sería de 3 sigmas que el Higgs tendría una masa de 125 GeV (1 GeV es un gigaelectrónvolt que equivale a unos kg.). Qué significa esto (de confirmarse)? Significa que el LHC está proporcionando los primeros datos que sugieren que el Higgs podría estar allí, sin embargo falta mucho para estar seguros de ello. Si este martes escuchamos que el resultado es menor a 3 sigmas no significa mucho; si es mayor a 3 sigmas es para alegrarse porque sería la primera evidencia de que estamos cerca de observar el famoso bosón pero no es motivo para hiperventilarse. El Higgs se declará descubierto sólo cuando la observación tenga una significancia de 5 sigmas, no antes (a pesar de los titulares que veremos el próximo miércoles). De todas formas la comunidad científica espera con ansias este anuncio ya que podría marcar el camino a lo que viene, aunque sabemos que no se anunciará un descubrimiento (según dice la invitación del CERN), pero muchos piensan que el seminario del martes podría ser el principio de algo histórico. Ya veremos qué pasa.

Así que ya saben, el martes el qué se observa es muy importante pero también lo es la significancia del resultado. Para los interesados, el seminario será transmitido el martes en vivo desde CERN a las 2pm (hora de Zurich).

Nuevos resultados sobre neutrinos en OPERA

Detector OPERA

Actualización: nueva sección sobre ICARUS vs. OPERA

Hace casi dos meses la colaboración científica que realiza el experimento OPERA en Italia hizo público un anuncio que no dejó indiferente a nadie: en su estudio sobre las pequeñas partículas llamadas neutrinos midieron que dichas partículas fundamentales parecían moverse más rápido que la luz (ver extenso post al respecto).  La importancia de dicho hallazgo (de confirmarse) radica en que podría implicar que unos de los pilares fundamentales de la relatividad de Einstein (que los físicos llaman simetría de Lorentz) se vendría abajo. La relatividad de Einstein es al mismo tiempo uno de los bloques básicos de nuestras teorías más exitosas: la Relatividad General (que describe la gravedad) y el Modelo Estándar (que describe todas las partículas de la materia y sus interacciones, sin incluir la gravedad).

Los medios de comunicación hicieron eco de la relevancia de este anuncio (que muchas veces fue tratado como un descubrimiento aunque falta bastante para calificarlo así) con titulares rimbombantes y a veces con información algo tergiversada al respecto, sin embargo causó que el público general se interesara en estos temas, se hiciera preguntas, y además se enterara que física de partículas es un campo de estudio que va más allá del LHC y su búsqueda del bosón Higgs, lo cual es muy positivo.

La comunidad científica se mostró escéptica (como debe ser) tanto al resultado como al tratamiento de las posibles fuentes de error. Las críticas fueron como dardos que apuntaron principalmente en dos direcciones: 1. el sistema que midió el tiempo que tardan los neutrinos en llegar desde CERN hasta el detector OPERA, en particular al sistema de GPS usado para sincronizar los relojes atómicos utilizados; y 2. la manera en que el flujo de neutrinos fue medido desde su fuente en CERN y al llegar al detector.

Mismo experimento, nueva configuración.

Los neutrinos son creados en CERN machacando un blanco con un haz de protones que genera una lluvia de partículas que al decaer produce neutrinos. Estos neutrinos no son creados uno a uno, más bien son lanzados como una ráfaga de partículas. El tiempo de duración de dichas ráfagas puede controlarse variando la manera en que los protones chocan con el blanco. Hace unas semanas OPERA anunció que los pulsos (ráfagas) de neutrinos creados en CERN había sido modificado, pulsos más cortos (cerca de 2 nanosegundos, en vez de 10 nanosegundos usando antes) permiten tener mayor precisión en la medición y así responder a quienes postulaban que ésta era la fuente de error que hacía parecer que los neutrinos se movían más rápidos que la luz. En su momento Francis presentó más detalles al respecto aquí. Además de usar pulsos cortos, se incrementó el espaciamiento entre pulsos, de esta manera OPERA pudo medir individualmente el tiempo de vuelo de 20 neutrinos, contrario a la medición promedio realizada antes.

Nuevo resultado: reafirmación no es confirmación

Los resultados de esta medición han sido anunciados esta tarde, los que muestran que incluso con los pulsos cortos los 20 neutrinos analizados llegan 60 nanosegundos antes de lo esperado, es decir, los neutrinos continúan mostrando que se mueven más rápido que la luz!
Qué significa esto? Aquí es muy importante ser enfático en que este nuevo resultado no es una confirmación, sino más bien una reafirmación del resultado original de OPERA. No es una confirmación porque para ello el resultado debe ser verificado por un experimento independiente. Sin embargo esto no le quita importancia a la nueva medición ya que se esperaba que OPERA refutara su propio resultado. El hecho de que un nuevo análisis sea tan consistente con el resultado original le otorga un nivel muy robusto y más confiable. No sólo los números obtenidos en las mediciones son los mismos que en el resultado de septiembre, sino que además se ha indicado que diferentes grupos dentro de la colaboración han verificado los resultados independientemente (verificación no realizada antes), lo que deja a los miembros de OPERA con una mayor seguridad de que saben lo que están haciendo. Por supuesto existe la posibilidad de que estén cometiendo el mismo error nuevamente, pero este nuevo resultado permite eliminar la más sospechosa de las posibles fuentes de error que podrían estar simulando una señal no real. El siguiente paso será estudiar con detalle la sincronización de los relojes atómicos, la otra sospechosa de causar un error.

En resumen, OPERA ha verificado los valores obtenidos en septiembre y la nueva medición reafirma el resultado anómalo que muestra neutrinos moviéndose más rápido que la luz. Los neutrinos superlumínicos no han sido conformados aún, para ello habrá que esperar los resultados de MINOS en 2012.

La nueva versión del paper de OPERA puede encontrarse aquí, y un análisis con detalles técnicos del nuevo resultado de OPERA se encuentra acá.

______________________________________________________________________________
Sección añadida en Noviembre 21, 2011

Detector ICARUS

ICARUS versus OPERA

El día de hoy los medios nos han bombardeado con una “nueva” información: otro experimento en Italia llamado ICARUS ha demostrado que los neutrinos no son superlumínicos y por lo tanto ha refutado el resultado de OPERA. Hay varios problemas con esta afirmación las cuales describo a continuación:

1. La noticia no es nueva, el análisis realizado por el equipo que conforma el experimento ICARUS fue anunciado hace más de un mes (17 Octubre), días en los que Francis presentó la noticia con un elocuente “…ICARUS no refuta  a OPERA…” Quise escribir al respecto pero me encontraba de viaje y Francis ya había realizado una excelente labor aclarando los rimbombantes pero erróneos titulares. Personalmente desconozco el motivo por el cual hoy se ha hablado de esta vieja noticia como si fuese nueva, cuando ya sabíamos del análisis de ICARUS hace más de un mes, algo está muy mal con los medios.
2. El experimento ICARUS usa el mismo haz de neutrinos desde CERN usado por OPERA, sin embargo ICARUS no midió el tiempo de vuelo de los neutrinos entre Suiza y Gran Sasso, por lo tanto ICARUS no puede confirmar o refutar el resultado de OPERA de manera directa usando el análisis que ha presentado hasta la fecha.
3. El análisis de ICARUS se basa en una propuesta teórica presentada días después del anuncio de OPERA. El 29 de septiembre, Andrew G. Cohen y Sheldon Lee Glashow (el parecido del nombre con Sheldon Lee Cooper es sólo una coincidencia) mostraron que si los neutrinos se mueven más rápido que la luz entonces estos perderían energía al propagarse. Esta pérdida de energía no fue observada en OPERA por lo cual se considera una prueba teórica de que algo debe estar mal con la interpretación de neutrinos superlumínicos ya que la no observación del fenómeno significaría que los neutrinos viajaron más lento que la luz. El paper de Cohen y Glashow (CG de aquí en adelante) es uno de los más notables entre los cientos de papers que se han presentados desde el anuncio de OPERA y es además el único de estos cientos que ha sido publicado en una revista científica hasta la fecha (también ha recibido críticas por su poca referencia a trabajos anteriores en los que la misma idea había sido expuesta, ver por ejemplo la interesante crítica de Francis a la revisión del paper CG). Sin embargo, algo que no se menciona demasiado es que el cálculo de este paper se basa en un límite muy particular (obtenido después de una serie de aproximaciones) de una teoría más general. Esto no significa que el resultado esté mal, sin embargo dado que el resultado de OPERA nos llevaría a cuestionarnos los fundamentos de la relatividad no es una buena idea utilizar un conjunto de suposiciones para tratar de verificar o excluir un resultado experimental.
4. ICARUS buscó si los neutrinos perdían energía como el argumento de CG describe si los neutrinos fuesen superlumínicos. El resultado es que ICARUS no encontró dicha pérdida de energía. Sin embargo eso es algo que ya sabíamos porque OPERA tampoco observó este fenómeno. Desde este punto de vista el resultado de ICARUS no entrega nueva información en lo absoluto, y mucho menos refuta el resultado de OPERA.
5. Resumiendo, ICARUS no refuta el resultado de OPERA, ICARUS sólo reafirma un resultado que ya conocíamos hace meses de OPERA: la pérdida de energía predicha por CG (basándose en una serie de suposiciones) no se observa. Las posibilidades son:
   a) los neutrinos no son superlumínicos, algo que hasta la fecha ningún experimento ha verificado;
   b) las suposiciones usadas por CG son insuficientes para una descripción completa de los neutrinos, lo cual tampoco tiene verificación experimental hasta la fecha.

En conclusión, el paper de CG proporciona un interesante argumento teórico que parece complicar la interpretación de neutrinos que viajan más rápido que la luz, sin embargo el argumento no es general por lo cual los neutrinos podrían ser superlumínicos ya que la naturaleza podría simplemente no satisfacer las suposiciones de CG. El resultado de ICARUS es interesante porque es consistente con la observación de OPERA, sin embargo no proporciona información alguna para verificar o refutar la interpretación de neutrinos superlumínicos.

Una vez más, desconozco el motivo por el cual esta noticia que tiene más de un mes ha sido presentada hoy como nueva, sin embargo los titulares rimbombantes y erróneos que hablan de la refutación del resultado de OPERA basados en argumentos infundados siguen igual de erróneos. Quizás los medios están muy sensibles por la importancia del anuncio de OPERA y están ansiosos de que haya nuevos anuncios, sin embargo bombardear al público con información antigua y errónea sólo lleva a que se pierda el interés en el que podría ser el descubrimiento del siglo. Personalmente me mantengo escéptico del resultado hasta que MINOS presente pruebas de que el mismo fenómeno se observa en un experimento independiente. Habrá que esperar unos meses para ello.

Premio Nobel de Física 2011: expansión acelerada del universo

Esta mañana el Comité Nobel ha anunciado los galardonados con el Premio Nobel de Física de este año. Los ganadores son Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt, y Adam G. Riess  “por el descubrimiento de la expansión acelerada del universo a través de la observación de supernovas distantes”. Perlmutter trabaja en University of California Berkeley, Schmidt en la National Australian University, y Riess en Johns Hopkins University.

 

Supernovas Ia

Se conoce como supernova a la explosión que le ocurre a una estrella cuando su combustible nuclear se acaba. Para ser más precisos esto es lo que se llama una supernova tipo II. Existe sin embargo otro tipo de supernova llamado de tipo I, en el que una estrella pequeña pero muy densa llamada enana blanca (que es una estrella moribunda porque las reacciones nucleares casi han cesado, este es el futuro de estrellas poco masivas como nuestro Sol) orbita cerca de otra estrella. Debido a su alta densidad, la enana blanca puede robar material de su compañera acumulándolo en la superficie. En teoría, la enana blanca puede robar material hasta cierto límite (llamado límite de Chandrasekhar) más allá del cual la pequeña estrella no puede soportar su propio peso por lo que colapsaría. Antes de que esto ocurra, el aumento de la presión y densidad hacen que su temperatura aumente lo que enciende las reacciones nucleares nuevamente. Este proceso rompe la estrella haciéndola estallar como una supernova tipo I. Estas estrellas pueden mostrar señales de ausencia de ciertos elementos químicos, cuando el elemento faltante es hidrógeno se llama supernova tipo Ia (SNIa).
Dado que todas las SNIa ocurren por este mecanismo, todas emiten su luz de la misma manera. Esto es una excelente noticia para los astrónomos ya que las estrellas son un zoológico que vienen en muchos tipos, el tener un tipo especial de estrella que brilla de la misma manera la convierte en una excelente herramienta para medir distancias. Esto es porque si sabemos cómo brilla se puede medir cómo se observa desde la Tierra, como la intensidad disminuye con la distancia mientras menos intensa se observe una SNIa más lejos se encuentra de nosotros. Los astrónomos entonces pueden usar las SNIa como medidores de distancia. Y no cualquier distancia, dado que las supernovas son muy brillantes pueden usarse para medir distancias a escalas cosmológicas.

Existe sin embargo un pequeño problema: no sabemos dónde ni cuándo aparecerá una SNIa en el cielo, por lo tanto los astrónomos no saben exactamente dónde observar! Una técnica desarrollada hace décadas consiste en obervar una zona determinada del cielo, luego  de unas semanas observar la misma zona, y luego comparar. De esta manera se pueden encontrar nuevos objetos en el cielo.

 

La expansión del universo

La teoría del big bang nos dice que el universo comenzó con una gran explosión hace casi 14.000 millones de años y ha estado expandiéndose desde entonces. Dado que el universo contiene materia (gas, polvo, planetas) y toda la materia se atrae debido a la gravedad se espera que esta expansión vaya a un ritmo más lento cada vez, es decir, se espera que la expansión se desacelere. La determinación de cuánto se desacelera la expansión es una información muy importante en cosmología ya que nos permitiría conocer detalles acerca del posible futuro del universo. Aquí es cuando las SNIa adquieren un rol protagónico ya que el llamado parámetro de desaceleración puede ser determinado midiendo distancias cosmológicas.

 

La expansión acelerada del universo

En 1998 dos grupos de astrónomos, el Supernova Cosmology Project liderado por Saul Perlmutter y el High-z Supernova Search liderado por Brian Schmidt y en el que Adam Riess jugó un importante rol, anunciaron sus mediciones del parámetro de desaceleración usando SNIa: el resultado fue un valor negativo! En otras palabras el universo no frena su expansión (como se esperaría debido a la gravedad) sino que se expande a una tasa acelerada, es decir, cada vez más rápido. Esto significa que algo está empujando todo hacia afuera cada vez más. Ese algo misterioso permanece como una energía desconocida hasta el día de hoy y dado su misterio se le ha dado el nombre de energía oscura. Esta energía oscura no sólo es misteriosa porque no sabemos qué es sino que además constituye el 70% de nuestro universo. El descubrimiento de estos dos grupos constituye uno de los remezones más importantes de la física de las últimas décadas ya que nos dice que el universo está compuesto en un 70% por algo que desconocemos.

 

El error de Einstein?

En estos días hablar de que Einstein se ha equivocado es un cliché asociado a la posibilidad de que los neutrinos se muevan más rápido que la luz y por lo tanto que la relatividad podría necesitar correcciones. Sin embargo hace décadas Einstein afirmó que se había equivocado con otra cosa (es necesario mencionar que el hecho de que Einstein se equivoque no tiene nada de relevante, el que haya hecho grandes contribuciones a la física no lo hace especial). En 1915 Einstein publicó su teoría de la relatividad general, que básicamente es una teoría moderna de la gravedad. Dado que la gravedad es más importante a escalas cosmológicas Einstein aplicó su teoría al universo (notar el mayor logro: usar su teoría para describir el universo!). Aquí fue cuando Einstein encontró “un problema” en su teoría: las ecuaciones de la relatividad general indicaban que el universo sería muy inestable y que se expandería o colapsaría ante una pequeña perturbación, en tiempos en que se pensaba que el universo era estático (la expansión fue descubierta una década más tarde). Einstein no creyó en su propia teoría y la modificó para que el universo se quedara quieto. Para ello introdujo un parámetro llamado constante cosmológica (nada más que un artefacto matemático permitido por sus ecuaciones) que actuaba como una especie de gravedad negativa controlando la inestabilidad predicha por su teoría (personalmente pienso que éste fue un gran error ya que Einstein tuvo en sus manos una de las predicciones más fundamentales de la física: la expansión del universo!). En 1926 Hubble descubrió que las galaxias se alejaban unas de otras lo que fundó las bases de la teoría del big bang y la expansión del universo. Con esta observación la constante cosmológica dejaba de ser necesaria de Eintein llamó a esta idea “el mayor error de su vida“.
El descubrimiento de la expansión acelerada del universo en 1998 hizo a los físicos reconsiderar la constante cosmológica por lo que quizás Einstein no estaba equivocado después de todo, ya que la constante cosmológica sería lo que hoy llamamos energía oscura.

Esta mañana mi amigo y compañero de liceo Vicho me hizo recordar que en mis años de liceo escribí un pequeño ensayo acerca de los efectos de la creación continua de pares partícula-antipartícula en el universo. Mi conclusión (completamente infundada ya que mis conocimientos eran mínimos, en otras palabras en ese momento no tenía idea de lo que estaba diciendo) era que la energía latente debido a los pares de partículas y antipartículas que se crean y destruyen continuamente produciría una fuerza repulsiva que harían que el universo se expanda cada vez más rápido. La empresa Intel me invitó a presentar la idea en San Jose (California) en 2001, donde pude ir a Berkeley y tener la oportunidad de conocer a Saul Perlmutter, un tipo que se veía muy acelerado pero apasionado por lo que hacía. Al final la Sociedad Americana de Patentes me dio un premio por esta idea, pero esa es otra historia (gracias Vicho por el apoyo incodicional en los 90s).

Hoy el estudio de la energía oscura es uno de los campos más activos de la astrofísica, no sabemos qué es y ciertamente conocer su naturaleza nos entregará información acerca del 70% del universo que nos rodea.

Neutrinos más rápidos que la luz en experimento OPERA

Detector OPERA

La noticia ya ha sido presentada en la mayoría de los medios pero obviamente teníamos que hacer eco también en nuestro blog. El motivo por el cual este artículo no apareció antes es simplemente porque quise esperar al seminario que hubo ayer en el CERN y así poder entregar información más confiable. Ahora el anuncio es oficial: el experimento llamado OPERA ha observado neutrinos que parecen moverse más rápido que la luz. Como científico, llevo varios años especializándome en el estudio de las posibles violaciones a la relatividad en neutrinos, motivo por el cual este anuncio tiene gran importancia para mí. Por el mismo motivo me atrevo a hablar del tema sin dejar de manifestar mi emoción si este resultado llega a confirmarse, sin embargo hay que ser cautelosos con el resultados así como también con las interpretaciones. Para comprender la importancia de este anuncio analicemos la situación por partes.

 

Velocidad Máxima

La famosa y exitosa teoría de la relatividad de Einstein tiene como uno de sus postulados que debe existir un límite de velocidad en la naturaleza. Hasta ahora ese límite estaba marcado por la velocidad de la luz en el vacío, es decir, aproximadamente 300.000 km/s. Este límite de velocidad puede ser alcanzado sólo por partículas que no tienen masa. Cualquier partícula, por pequeña que sea su masa, no puede alcanzar esta velocidad. Pero como la imaginación no tiene límites, desde el establecimiento de este límite que se ha planteado la posibilidad de que existan partículas que se muevan más rápido que la luz. Los llamados taquiones han hecho volar la imaginación de autores de ciencia ficción; sin embargo restringiéndonos a su definición, un taquión es sólo una partícula que se mueve más rápido que la luz en el vacío, nada más.

 

Neutrinos en OPERA

Super Proton Synchrotron (SPS)

Para saber de qué se trata el experimento OPERA se recomienda un post anterior al respecto. A los físicos les encanta usar nombres simpáticos para sus experimentos, en el caso de OPERA significa Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (el emulsion-tracking apparatus se refiere a la manera en que el detector funciona) y fue construído para estudiar oscilaciones de neutrinos. Los neutrinos son esas pequeñas y misteriosas partículas de las que hemos hablado muchas veces en este blog (ver aquí). Diferentes experimentos en la última década han mostrado que los neutrinos tienen masas muy pequeñas lo cual es un resultado muy importante ya que representa una clara evidencia de que el famoso Modelo Estándar de física de partículas tiene una falla (en el modelo estándar los neutrinos no pueden tener masa). Para el estudio que se realiza en OPERA, se toman prestados unos protones a altas energías desde uno de los aceleradores del CERN (llamado Super Proton Synchrotron o SPS) y son lanzados contra una barra de grafito; esta colisión produce una lluvia de mesones (partículas formadas por dos quarks) cargados que al decaer producen neutrinos. Esos neutrinos viajan bajo tierra los 730 km que los separan del detector que se encuentra en un laboratorio subterráneo bajo una montaña llamada Gran Sasso, al este de Roma en Italia. Dado que la masa de los neutrinos es tan pequeña, se espera que viajen casi a la velocidad de la luz, por lo cual deberían demorarse algo más de 2 milisegundos en su viaje desde CERN hasta Gran Sasso. Lo que se ha anunciado el día de hoy es la medición precisa del tiempo que les toma a los neutrinos llegar desde CERN, y para sorpresa de los científicos trabajando en OPERA, los neutrinos parecen llegar 60 nanosegundos antes de lo esperado, lo que indicaría que estos neutrinos se mueven más rápido que la luz!

 

Cautela y escepticismo

El gran Carl Sagan dijo una vez que “declaraciones extraordinarias requieren evidencias extraordinarias”, y una medición que desafía uno de los pilares fundamentales de la física moderna es una declaración bastante extraordinaria. Además la complejidad de esta medición es muy alta, 60 nanosegundos (0.00000006 segundos) no se miden con un reloj convencional [gracias a Jorge en su comentario por notar que había un cero de más, excelente ojo!]. Esto lleva a cualquier persona a reaccionar con rotundo este resultado no puede ser correcto. Sin embargo antes de lanzar los dardos contra a los investigadores que realizaron la medición es necesario destacar que hace meses que buscan posibles errores en las mediciones, en la calibración de los relojes atómicos usados, en la señal por GPS usada… una infinidad de posibles fuentes de error que sólo un buen físico experimental podría imaginar. Por lo mismo decir “esto está mal” es una falta de respeto a la cuidadosa labor de los científicos de OPERA. Una actitud distinta es pensar en alguna nueva fuente de error, o una combinación de factores que podrían producir una falsa señal en el detector, por ejemplo mucha gente se cuestiona acerca de la precisión en la distancia recorrida por los neutrinos, o la manera en que se mide exactamente dónde el neutrino es creado y dónde es detectado, efectos indeseados producidos por la antena de recepción satelital… muchos detalles que podrían alterar la medición. Sin embargo una de las cosas que más me agradó del paper presentado por la colaboración así como la presentación de ayer en CERN fue la manera de hacer el anuncio. OPERA no dice haber descubierto una falla en la relatividad de Einstein o garantizar que el resultado es un efecto real, al contrario, la colaboración OPERA es bastante conservadora pero honesta al mismo tiempo y su conclusión puede plantearse como que han medido un valor que no debería ser de acuerdo a la teoría actual, sin embargo no han podido encontrar ningún error, por lo cual solicita a la comunidad científica que se planteen ideas y que otros experimentos repitan esta medición para verficarla o refutarla. Así funciona la ciencia! Las teorías se ponen a prueba, una y otra vez para estar seguros de que lo observando no sea una falsa alarma. Justamente por este motivo creo que pensar inmediatamente que el resultado es correcto me parece tan infundado como decir que está errado. El método científico nos dice que antes de concluir cualquier cosa debemos estar seguros de nuestro resultado, de no ser así hay que repetir el experimento. Afortunadamente esto podría ser posible, ya que los experimentos MINOS (en EEUU) y T2K (en Japón) son bastante similares a OPERA y podrían llevar a cabo esta medición. De hecho, MINOS lo hizo en 2007 y su resultado también fue que los neutrinos se movían más rápido que la luz, sin embargo el error estadístico de su medición era muy alto, por lo cual el resultado no era concluyente.  MINOS ahora tiene años tomando datos así que este error estadístico es mucho menor. Habrá que esperar esos nuevos resultados.

 

Revolución de la física?

Es muy temprano para declarar que la relatividad está mal, como decía más arriba, para llegar a cualquier conclusión este resultado debe ser refutado o verificado. Sin embargo, es perfectamente válido cuestionarse qué pasaría si este resultado se confirma? Si resulta que la relatividad tiene una falla sería un descubrimiento revolucionario y habría que declarar que hay un nuevo límite de velocidad que sería levemente superior a los 300.000 km/s de los fotones. Esto implicaría hacer varios cambios en muchos libros, sin embargo quisiera enfatizar que este es un tema muy fundamental de la física y por ende es muy fácil llegar a conclusiones erróneas. Por ejemplo, dado que el neutrino sería un taquión (se mueve más rápido que la luz) algunos sugieren que se podría enviar información al pasado, sin embargo esa conclusión requiere que la relatividad este correcta y ese es justamente lo que ya no se cumpliría, por lo tanto si se confirma que el neutrino se mueve más rápido que el fotón las máquinas del tiempo y Star Trek seguirán siendo parte de la ciencia ficción.

 

Violaciones de la relatividad

Siguiendo con la hipótesis de que el resultado de OPERA se llegara a confirmar, cabe también preguntarse qué hacemos con las teorías actules, o dicho de otra forma, podría haber alguna teoría que explique este resultado? La respuesta es afirmativa y esta posibilidad constituye justamente el tema de mi tesis, por lo que elaboraré un poco más este tema. La historia comienza en 1985 (año especial para quienes somos fanáticos de Back to the Future), cuando Alan Chodos, Avi Hauser y Alan Kostelecký plantean la idea de que el neutrino podría ser un taquión. Luego, en 1989, Kostelecký y Stuart Samuel descubrieron que interacciones en teorías de cuerdas podrían causar violaciones de la relatividad (o en el lenguaje de los físicos violaciones de la simetría de Lorentz). Durante la década de 1990, Kostelecký junto a sus estudiantes y postdocs en Indiana University desarrolló una nueva versión del modelo estándar, la que corresponde a una extensión general del modelo estándar incluyendo todas las posibles violaciones de la relatividad. Este Standard-Model Extension (SME) fue presentado en su forma final en 1997 y 1998, gatillando un explosivo interés en el tema desde el punto de vista teórico y experimental. Por un lado, el SME permitía el desarrollo de la teoría acerca de violaciones de la relatividad para todas las partículas y además en 2004 Kostelecký demostró su extensión podía también incorporarse a la gravedad; por otro lado el SME indica de manera directa qué efectos observables podrían aparecer en un determinado experimento, lo que ha llevado a un esfuerzo internacional ya que decenas de laboratorios en el mundo han estado estudiado el SME desde que fue postulado. El volumen de resultados experimentales creció tan bruscamente que fue necesaria una clasificación, lo que que llevó a la elaboración lo que se conoce como Data tables for Lorentz and CPT violation, que se actualiza cada año. En el video de 2005 a continuación, su autor describe el SME y su significado:

Volviendo a los neutrinos, el SME predice una serie de efectos no convencionales que los harían caraterísticos y por ende fáciles de distinguir respecto a otras posibles teorías. Como parte del grupo de Kostelecký, en 2009 trabajé en el desarrollo de una teoría que permita buscar algunos de los efectos predichos por el SME en varios experimentos, incluyendo MINOS, OPERA, and T2K. Más recientemente propusimos un modelo alternativo para explicar el fenómeno de oscilaciones de neutrinos (hemos discutido estas oscilaciones antes) basado en el SME que es consistente con todos los datos experimentales establecidos y que es más simple que el modelo convencional de neutrinos masivos (2010, 2011). En este modelo los neutrinos podrían moverse más rápido que la luz, sin embargo este resultado no es una sorpresa porque desde que el SME fue establecido en 1997 es sabido que partículas superluminosas son una consequencia natural de las posibles violaciones de la relatividad en el SME (un review acerca de violaciones de la relatividad en neutrinos puede encontrarse aquí). Es por esto que el resultado de OPERA el pasado jueves nos dejó perplejos ante la posibilidad de que el resultado sea verificado. Para mi jefe han sido días muy ajetreados que lo sacaron de su rutina de trabajo ya que los periodistas lo llaman todo el día, sin embargo creo que se merece el crédito y reconocimiento por dedicar más de 25 años a desarrollar las bases de un tema tan fundamental. Por ahora ha sido un interesante inicio del otoño (en este hemisferio), para mí ha sido una suerte estar trabajando en este tema en un momento como este, he dormido y comido muy poco en estos días pero ha sido muy motivante y emocionante ver que esta área de la física se vuelva de tanto interés. Ahora hay que esperar que las aguas se calmen un poco para volver al trabajo.

 

Qué viene ahora?

Por ahora nos queda esperar. Desde el punto de vista experimental se espera que nuevas ideas sean planteadas como posibles fuentes de error en OPERA lo que permitirá testear sus datos una y otra vez con ideas de toda la comunidad científica. También queda esperar que los experimentos MINOS y T2K presenten mediciones de la velocidad de sus neutrinos. Esto no necesariamente será pronto, otros resultados anómalos en neutrinos llevan 10 años con nosotros y todavía no hay una respuesta definitiva (ver post sobre anomalías en neutrinos). En el campo teórico, se explorarán posibles interpretaciones y nuevas teorías para comprender el resultado de OPERA, especialmente si se confirma. En tal caso se viene una revolución en la manera que vemos el universo que personalmente creo ha hecho falta en la física últimamente. Afortunadamente ya existe una teoría que permite describir violaciones de la relatividad, por lo que dicha revolución podría llevar a que el SME se vuelva de uso más común de lo que era hasta hace unos días.
No obstante, una de las más importantes consecuencias sin importar si el resultado de OPERA se verifica o refuta es que la comunidad científica aumentará su conocimiento acerca de estas misteriosas partículas, aprenderemos sobre nuevas fuentes de error en los experimentos y si el universo es o no tan simétrico como lo imaginó Einstein hace 106 años. Así es como la física se ha construído durante siglos, esta vez las sorpresa llegó de la mano de un neutrino, un verdadero fantasma de la OPERA.

Actualización: OPERA ha presentado nuevos resultados que reafirman los neutrinos superlumínicos, detalles en este link.

Links:

Science: Neutrinos Travel Faster Than Light, According to One Experiment
Inside Science: Physicists Report Evidence of a Quicker-Than-Light Particle
Discovery News: Naughty ‘Faster Than Light’ Neutrinos a Reality?

Más sobre el SME:

Background information on Lorentz and CPT violation (web mantenida por A. Kostelecký)
The search for relativity violations (Scientific American, 2004)
Standard-Model Extension (Wikipedia)
Lorentz-violating neutrino oscillations (violaciones de la relatividad en neutrinos)

Resultados de MINOS y otras anomalías en neutrinos

Esta semana termina académicamente el verano (acá en el hemisferio norte), período que representa la ausencia de estudiantes en los pasillos y oficinas lo que lleva a un significativo aumento en la productividad. También es el tiempo de la llamada temporada de conferencias de verano, donde importantes resultados son anunciados en las grandes conferencias. También significa viajes, lo cual es una de las parte entretenidas de este negocio. Este año la temporada de verano me llevó a Madison (Wisconsin), Fermilab (Illinois), Boston (Massachusetts), y Providence (Rhode Island), donde pude presenciar el anuncio de interesantes resultados. Mucha de la atención se centró en la búsqueda del bosón de Higgs, sin embargo no soy un experto en el tema por lo cual a los interesados les recomiendo los completos y detallados artículos de Francis.

Mi tema son los neutrinos y las simetrías fundamentales, justamente el tópico de un anuncio muy importante presentado ayer. Sin lugar a dudas algunos de los resultados más relevantes del año son los anunciados hace unos meses por los experimentos T2K y MINOS  (los cuales comentamos aquí y aquí). Sin embargo uno de los resultados más esperados era el análisis de MINOS comparando neutrinos y antineutrinos.

Detector del experimento MINOS

MINOS y violación CPT

La historia comienza hace algo más de un año, cuando en junio de 2010 el experimento MINOS anunció sus primeros resultados comparando las oscilaciones de neutrinos y de antineutrinos (hemos discutido oscilaciones de neutrinos anteriormente aquí, aquí, aquí, y aquí) en la conferencia Neutrino2010, la reunión de física de neutrinos más importante que se realiza cada dos años. Resultados preliminares indicaron que los parámetros físicos que controlan las oscillaciones de neutrinos son diferentes a los correspondientes parámetros para antineutrinos. Este resultado produjo una revuelta tanto en los medios como dentro de la comunidad científica. No sólo sería una indicación de que neutrinos y sus antiparíticulas se comportan de diferente manera (una violación CP, como discutimos aquí), también indicaría que una de las simetrías más fundamentales de la naturaleza (llamada CPT) podría no ser exacta (contrario a lo que nos dice el modelo estándar). De verificarse esta llamada anomalía MINOS no sólo será la primera evidencia concreta de violación CPT sino también requiría una reformulación de la teoría que describe los neutrinos para incluir los efectos de violación CPT (esto es justamente mi tema de tesis). La opinión generalizada de los científicos ante resultados anómalos de este tipo es siempre tomar más datos para garantizar la significancia estadística del resultado, es decir, para asegurarse de que lo observado es un efecto real y no sólo una fluctuación estadística en los datos obtenidos.

El día de ayer durante la conferencia Lepton Photon 2011 que se desarrolla en India, el experimento MINOS anunció un nuevo análisis con casi el doble de datos. El resultado: todo fue una fluctuación estadística y no un efecto real, en otras palabras la anomalía MINOS ya no existe como tal. Buenas noticias para la gente de otros experimentos que basan sus resultados en que la descripción de neutrinos y antineutrinos usa los mismos parámetros (como debe ser si CPT es una simetría exacta), no tan buenas noticias para quienes nos gustan los resultados anómalos, ya que son clara evidencia de que nos falta mucho por entender.

Anomalías en neutrinos

Una anomalía menos, hay otras? Por supuesto que sí, uno de los motivos por los cuales la física de neutrinos es tan activa es que hay resultados que no pueden ser comprendidos dentro de la descripción convencional. Recordemos que el sólo hecho de que los neutrinos oscilen (fenómeno real verificado por muchos experimentos) es una señal de fisica más allá del modelo estándar (de acuerdo al modelo estándar los neutrinos no pueden oscilar). En 2001 el experimento LSND presentó evidencias de que los antineutrinos oscilan de acuerdo a parámetros que son inconsistentes con la teoría convencional. Una posible solución es que existan más de tres neutrinos, sin embargo mediciones precisas en LEP (antecesor del LHC) en CERN muestran que sólo tres neutrinos interactúan a través de la interacción débil. Una idea es que hayan otros neutrinos que son insensibles a esta interacción que los físicos llaman neutrinos estériles, de los cuales todavía no hay una confirmación definitiva. Para confirmar o refutar esta anomalía el experimento MiniBooNE fue construído en Fermilab. Sin embargo MiniBooNE nos dio más anomalías: en 2007 se anunció que los neutrinos refutaban el resultado de LSND, sin embargo una extraña señal de oscilaciones no esperadas (de acuerdo al modelo convencional de neutrinos) aparecieron a bajas energías, es decir, MiniBooNE eliminó una anomalía pero nos dio una nueva. Dado que MiniBooNE usaba neutrinos y no antineutrinos como LSND, los científicos modificaron las propiedades del experimento para usar antineutrinos para hacerlo más parecido a LSND. En 2010 se anunció que los antineutrinos en MiniBooNE parecían consistentes con los antineutrinos en LSND, en otras palabras ahora tenemos tres anomalías: la anomalía LSND persiste, neutrinos y antineutrinos parecen comportarse de manera distinta, y además no sabemos qué es la señal a bajas energía en MiniBooNE. Por si eso fuera poco, a principios de este año un nuevo resultado anómalo apareció al reanalizar antiguos resultados de experimentos en reactores nucleares (Francis también nos cuenta más detalles aquí).

En resumen, hay mucho que no sabemos acerca de los neutrinos y cada vez que estamos cerca de tener respuestas nuevos resultados nos dejan más preguntas. La física de neutrinos es muy activa por este motivo y nuevos experimentos están siendo construídos. Durante este verano los experimentos RENO (Corea) y Daya Bay (China) usando reactores nucleares han comenzado a funcionar, complementando a Double Chooz (Francia) que comenzó a principios de este año (y que comentamos aquí). Estos pequeños neutros (como los llamó Fermi) nos siguen sorprendiendo cada vez que los estudiamos.

Imágenes: Fermilab

El láser: como funciona y una interesante novedad

Un hecho que (lamentablemente) pasó inadvertido por este blog el año pasado (mi culpa… lo reconozco) es que se celebró en todo el mundo el 50 aniversario de la invención del laser (Amplificacion de Luz por Emision de Radiacion eStimulada). Hoy en día, prácticamente no nos damos cuenta de las muchísimas aplicaciones que el laser tiene en nuestro diario vivir. En su momento, el laser fue descrito como “una solución en busca de problemas“. Desde su invención, ya se sabia que este tipo de luz traería soluciones a muchisimas áreas que ellos mismos no eran capaces de dislumbrar. A modo de ejemplo, ellos nunca pensaron el impacto que iba a tener este aparatito en las miles de agradecidas mujeres que ya no tienen que sufrir con la (según ellas descrita) horroroza depilación. Ahora, existen a no muy elevado precio, los sistemas de depilación casi-definitiva usando un laser pulsado que destruye la melanina de los folículos (donde crecen los pelos) sin dañar la piel.  Esa aplicación estoy totalmente seguro que no fue pensada por los creadores del laser.

Para quienes quieren entender un poco como funciona un laser, intentaré explicarlo brevemente. El laser es un invento que nace a partir de los descubrimientos de la Física Cuántica. A comienzos del siglo 20, Einstein estableció la existencia de unos coeficientes de probabilidad para la emisión de radiación (fotones) debido a transiciones de los electrones en el interior de un átomo. En ese momento, Einstein fue suficientemente capaz de percatarse que existian tres casos posibles para las transiciones que involucraban radiación (luz); estas son absorción de un fotón, emisión de un fotón de forma espontánea y emisión de un fotón de forma estimulada. Es justamente esta última la base de la emisión de luz laser. Un laser produce que los electrones de los átomos de un medio suban a niveles superiores (en física, se dice “se excita el medio”) y luego, se “estimulan” para que decaigan a un cierto nivel de menor energía, emitiendo fotones (es decir, luz). La gracia es que como la energía de los átomos es discreta (cuantizada) sólo emite la luz en la frecuencia estimulada… y eso indica el color del laser.

Longitudes de onda de distintos laser disponibles comercialmente; indicando el medio activo en cada caso (Fuente: Wikipedia)

A partir de la explicación anterior, puede entenderse que el color de la luz emitida depende de que esta compuesto el medio que es excitado. Es por esto, que tenemos laseres de distintos “colores” (aunque en realidad es mejor hablar de distintas “longitudes de onda”). El más conocido talvez es el Helio-Neon, usado en los típicos punteros rojos (633nm) aunque también puede emitir en verde (543nm) y varias otras más. Los otros conocidos son los verdes usados para enceguecer a los artistas en los escenarios, hechos de Neodimio (que en realidad, emiten en infrarrojo (~1um), pero con un pequeño artilugio se puede hacer que emita en verde (~530nm)). En fin… asi hay muchísimos medios (tanto en estados sólidos, líquidos, gaseosos o plasmas) que pueden actuar como laser para emitir en distintos colores.

Hace una par de semanas, salió publicado en la revista Nature Photonics un artículo que me llamó profundamente la atención y pensé que debía comentar; relacionado precisamente con laser. Esta publicación demuestra experimentalmente, la emisión de luz láser a partir de una CELULA VIVA usada como medio activo. No sólo eso, sino que la célula siguió viva incluso después de haber hecho que funcionara como laser por un largo tiempo. La célula en cuestión es un cultivo in vitro de una célula de la linea embriotica de riñón humano, combinadas transitoriamente con proteina fluorescente proveniente de una medusa (Aequorea victoria). Una de las tremendas ventajas que tiene este tipo de laser, es que el medio activo resulta ser producido biologicamente, siendo biocompatible y bioabsorvible; lo que resulta muy adecuado para emitir luz laser en materia viva sin dañarla al hacerlo.

Emision laser de la celula como medio activo

Personalmente, encuentro este trabajo como una real “joyita” de Física Aplicada; que puede (según lo indica el mismo paper) dar paso a una técnica totalmente nueva de imagenología o de terapias basadas en activación controlada de agentes fotoquímicos (es decir, agentes que reaccionen exclusivamente al ser expuestos a estas longitudes de onda). Una aplicación más para la lista de cosas que los inventores del láser jamás pensaron…  la frase “Una solución en busca de problemas” no podría haber resultado más certera y visionaria (y cada vez me gusta más)

Experimento MINOS complementa el estudio de neutrinos de T2K

La semana pasada la comunidad de científicos que trabaja en física de neutrinos siguió con expectación el anuncio que el experimento T2K tenía preparado. Como contamos en el post anterior, T2K reportó señales de un tipo de oscilación de neutrinos (cambio de un tipo o sabor de neutrino en otro) que podría tener profundas consecuencias que van más allá de la física de partículas, ya que podría ayudarnos a comprender por qué existimos. El pasado viernes, otro experimento llamado MINOS anunció sus resultados en el estudio del mismo fenómeno.

Para comprender la conexión entre estos experimentos de neutrinos y el imbalance de materia-antimateria que dio origen al universo que vemos hoy en día hay que ordenar un par de ideas: sabemos que cuando una partícula se encuentra con su antipartícula estas se aniquilan sólo dejando energía. Luego del big bang, cantidades idénticas de materia y antimateria fueron creadas, por lo tanto estas debieron aniquilarse completamente. Sin embargo vivimos en un universo que contiene materia y nada de antimateria, esto significa que antes de aniquilarse debió existir cierto imbalance entre materia y antimateria, esa pequeña diferencia es lo que con el tiempo formó estructuras, galaxias, estrellas, planetas, etc.

transformación CP de un electrón

Bariogénesis y Leptogénesis

Las partículas que forman la materia (constituída por tres quarks) como protones y neutrones se denominan bariones. El imbalance, o cantidades diferentes, de bariones y antibariones en el universo temprano habría ocurrido debido a una serie de procesos que los físicos llaman bariogénesis. En 1967, el ruso Andrei Sakharov propuso un conjunto de condiciones necesarias para la bariogénesis, una de ellas es la llamada violación de la simetría CP.  La simetría CP establece que el comportamiento de un sistema de partículas debe ser idéntico al de sus correspondientes antipartículas (C) vistas en un espejo* (P). La violación CP fue observada en experimentos con partículas llamadas kaones en 1967 por James Cronin y Val Fitch, que les valió el Premio Nobel en 1980, sin embargo se ha demostrado que la magnitud de esta violación CP no es suficiente para generar las estructuras que se observan en el universo. Existe, sin embargo, un grupo de partículas fundamentales (llamadas leptones) que podrían haber experimentado un proceso similar a la bariogénesis llamado leptogénesis. Este proceso podría (de forma algo más compleja) producir bariogénesis. La leptogénesis también requiere violación CP pero esta vez en leptones. Los seis tipos de leptones son: electrón , muón , y tau (con carga eléctrica negativa) y sus correspondientes neutrinos: , , y (sin carga eléctrica). La violación CP no ha sido observada en los leptones con carga eléctrica, por lo que los físicos tienen sus ojos en los neutrinos.

Neutrinos y violación CP

En neutrinos, la posibilidad de violación CP está determinada por una cantidad que los físicos llaman .
Cómo medir ? La manera directa sería estudiar neutrinos, luego estudiar antineutrinos y después comparar, en este caso la medición es proporcional a la cantidad , donde  es un ángulo que puede ser medido de diferentes maneras, por ejemplo, en experimentos con reactores nucleares. Sin embargo comparar neutrinos y antineutrinos tomará muchos años, posiblemente una década, por lo que los físicos han encontrado otros métodos usando oscilaciones de neutrinos (hemos descrito el significado de estas oscilaciones en post anteriores aquí, aquí, aquí, y aquí) para medir el ángulo , el cual debe ser distinto de cero para que los neutrinos violen CP. Un tipo muy particular de oscilación es la transformación , ya que posee una huella experimental muy bien definida y permite determinar la cantidad , el primer paso antes de medir . Esto es justamente lo que T2K está intentando medir, sin embargo no está solo en la carrera.

vista aerea de Fermilab

Experimento MINOS

Fermilab es el laboratorio de física de partículas más importante en Estados Unidos, en particular de neutrinos. Ubicado al oeste de Chicago, allí se estudian muchas partículas en su colección de aceleradores. Uno de ellos es el llamado Main Injector, en el cual se aceleran protones los cuales son lanzados contra un blanco (una barra de grafito) generando mesones que luego decaen en neutrinos, principalmente . Esta secuencia produce el haz de neutrinos del experimento MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), los cuales recorren 735 km. bajo tierra hacia un enorme detector de 5400 toneladas de acero ubicado a unos 700 metros en un laboratorio subterráneo en Soudan, en el norte de Minnesota. Este experimento ha estado en funcionamiento desde 2005.
La tarde del viernes, MINOS anunció lo que sus mediciones indican en la búsqueda de la oscilación . Mientras que diez días antes T2K mostró que el valor más probable es , los resultados de MINOS muestran podría ser más pequeño , sin embargo ambos experimentos son consistentes en sus resultados ya que lo que cada experimento mide es un rango de posibles valores con un determinado número que es el que mejor se ajusta a la medición, como muestra la figura. Qué queda ahora por hacer? Como suele ocurrir en la mayoría de los experimentos, más datos son necesarios para disminuir el tamaño de las regiones medidas en cada experimento, notar que MINOS es consistente con . T2K comenzará a tomar más datos a fines de este año (está detenido debido al terremoto en Japón), mientras que MINOS seguirá funcionando a hasta febrero de 2012, mientras se finaliza la construcción de otro experimento llamado NOvA, así con más datos se espera determinar con precisión si  es distinto de cero, lo que permitiría la posibilidad de que exista violación CP en neutrinos y quizás podamos comprender por qué el universo que nos rodea existe.

MINOS es una colaboración internacional de más de 140 científicos de 30 instituciones en cinco países: Brasil, Estados Unidos, Grecia, Polonia, y el Reino Unido.

*: estrictamente hablando la transformación P (llamada paridad) consiste en invertir todas las coordenadas, mientras que un espejo sólo proporciona una imagen especular, es decir no invierte arriba-abajo.

Links: (español) El País, (inglés) Symmetry Breaking, PhysOrg, Interactions.
Imágenes: Fermilab

Experimento T2K observa nuevo tipo de cambio de sabor en neutrinos

neutrino electrónico

Se trata de neutrinos (otra vez), estas misteriosas partículas que nos atraviesan provenientes desde el sol, reactores nucleares y la alta atmósfera. Los neutrinos han sido misteriosos desde su “invención”. Sí, invención, porque durante la primera mitad del siglo pasado había una crisis en la comunidad científica debido a cierto decaimiento radiactivo que llegó incluso hacer pensar que la energía no se conservaba. Para salvar el principio de conservación de la energía Pauli teorizó la existencia de una pequeña partícula sin carga eléctrica a la que llamó neutrón. Cuando el neutrón que conocemos fue descubierto Fermi le cambió el  nombre al pequeño neutro, que en italiano es neutrino. Pauli pensó que su partícula nunca podría ser observada, afortunadamente se equivocó y sí fue observada durante el Proyecto Poltergeist. No sólo son muy difíciles de observar sino que estas partículas tienen una crisis de identidad. Existen tres tipos de neutrinos, o sabores como le llaman los físicos, denotados por . Cuando un neutrino de un sabor de propaga cambia de sabor, es decir, un  puede transformase en un  luego de viajar cierta distancia. Este fenómeno ha sido observado durante la pasada década por lo que sabemos que es real.

Hace un tiempo hablábamos sobre cómo los neutrinos interactúan débilmente, y en particular acerca de este cambio de sabor al propagarse, lo que los físicos llaman oscilación de neutrinos. En esa ocación nos referíamos a que se transformaban en luego de viajar algo más de 700 km. Sin embargo, en teoría el  podría también transformase en . Cálculos muestran que este proceso depende de un parámetro, un ángulo llamado . Hasta la fecha sólo tenemos evidencia de que es muy pequeño, incluso podría ser igual a cero. Este ángulo es muy importante no sólo por sus efectos en oscilaciones de neutrinos sino que también porque podría ayudar a comprender el imbalance entre materia y antimateria que habría ocurrido en los primeros instantes del universo. Durante el big bang cantidades idénticas de materia y antimateria fueron creadas, sin embargo estamos rodeados de materia y toda la antimateria desapareció. Uno de los responsables de esta diferencia se piensa que podrían ser los neutrinos, por lo que estudiar el ángulo  es en última instancia estudiar por qué existimos!

El experimento T2K

Aquí los protones son extraídos del acelerador para bombardear la barra de grafito y producir mesones.

Diferentes experimentos se han diseñado para estudiar , incluyendo experimentos que usan antineutrinos generados por plantas nucleares [ver post al respecto]. Otro método consiste en producir un haz de  y tratar de medir si algún aparece luego de cierta distancia. Esto es justamente lo que el experimento T2K en Japón estudia. El experimento funciona así: se aceleran protones hasta alcanzar altas energías con los que se bombardea una barra de grafito que produce otras partículas cargadas (llamadas mesones) que decaen rápidamente en . Antes de decaer estos mesones son alineados con campos magnéticos, de esta manera al decaer los  se moverán todos en la misma dirección. Todo esto se realiza en  J-PARC, laboratorio de física de partículas ubicado en Tokai, al este de Japón. Allí los neutrinos son disparados bajo la superficie terrestre donde luego de 295 km se encuentran con un detector gigante llamado Super-Kamiokande (SK para los amigos), ubicado al oeste de Japón en un laboratorio subterráneo llamado Kamioka. De allí el nombre del experimento: Tokai to Kamioka=T2K. SK es un detector gigantesco donde se miden los   provenientes de Tokai. SK también puede medir   por lo cual ya tenemos lo básico para medir   oscilando en  . Dado que se espera que algún aparezca en el haz de  , los físicos llaman a este proceso  ’ appearance’.

Neutrinos recorren 295 km bajo tierra desde J-PARC en Tokai hasta SK

Como mencionábamos, el resultado de este experimento depende del valor de , si es cero entonces los cálculos muestran que dado el tiempo que T2K lleva funcionando menos de 1.5 deberían aparecer en SK. Esta madrugada se ha anunciado que 6  han sido registrados por SK lo que indicaría que  es pequeño pero no es cero ya que se han observado cuatro veces lo que se esperaba y la única explicación para este exceso es que algunos oscilaron en el camino desde Tokai convirtiéndose en  . Esta posibilidad indicaría que los neutrinos podrían en el futuro ser declarados culpables por el imbalance de materia-antimateria en el universo. Es muy temprano para afirmarlo, pero al menos esa posibilidad existe.
Personalmente esta noticia ha sido de gran agrado ya que los neutrinos son mi tema de investigación. Tuve la oportunidad de visitar J-PARC el año pasado y conocer las instalaciones de este importante experimento. Ahora poder conocer los primeros resultados ha producido emoción y mucho trabajo que realizar también (llamadas todo el día). Los neutrinos nos siguen sorprendiendo con interesantes resultados, sería genial que se confirmara que las partículas más escurridizas y pequeñas que conocemos puediesen ser responsables de efectos tan dramáticos como nuestra propia existencia.

T2K es una colaboración internacional de alrededor de 500 científicos de 59 instituciones en 12 países.

Imágenes: J-PARC, ParticleZoo
Links:  más sobre este resultado puede encontrarse en (español): Francis (th)E mule Science’s News, Ciencia Kanija, CosmoNoticias; (inglés) Nature, Physics World, BBC, Interactions, Fermilab Today, Symmetry Magazine.

Actualización: Experimento MINOS complementa el estudio de neutrinos de T2K

Guest post: Fukushima, la tiroides y algo de cerveza

Luego de la tragedia que ha sacudido a Japón todo lo relacionado a la energía nuclear y radiación se convirtió en tema obligado en los medios. Inicialmente el post anterior sobre el terremoto y algunos detalles de la emergencia en Fukushima sería actualizado ya que cuando fue publicado no era mucha la información disponible. Con los días aparecieron noticias alarmistas debido a situaciones críticas como explosiones en algunos de los reactores y por lo tanto nos sentíamos obligados a tocar el tema acá, en especial lo relacionado con la radiación ya que esta palabra produce mucho temor. Sin embargo mi limitado conocimiento del tema me llevó a no contribuir con la desinformación que muchos medios han ayudado a propagar. Es por eso que consultamos con alguien que fuese entendido en el tema. El Dr. Renato Saavedra es Investigador Asociado del Centro de Óptica y Fotónica, en la Universidad de Concepción; también es Profesor Asociado del Departamento de Física en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Concepción; y además es Tecnólogo Médico con mención en Radiología Física Médica de la Universidad de Chile. Dudo que más credenciales sean necesarias para calificarlo como un conocedor en el tema. Renato accedió amablemente a escribirnos sobre el tema de manera muy amena y particular, lo cual reproduzco a continuación. __________________________________________________________________________

Hace unos años, luego de varios exámenes y una molesta punción, a un amigo le diagnosticaron cáncer a la tiroides. Su médico le contó que su estrategia terapéutica incluía la cirugía y la radioterapia con Yodo.  Sabiendo que yo era físico, y que algo entendía de medicina, me llamó para que le explicara “eso del Yodo radiactivo”.

Ya sabrán que no soy médico, pero si doctor, así que partiremos por contarles que la tiroides es una glándula situada en el cuello y que produce hormonas (e.g. tiroxina, T4;  y triyodotironina, T3) que, entre otras cosas, estimulan la frecuencia cardiaca, la temperatura corporal, la  actividad metabólica, regulan el crecimiento y actúan sobre el estado de alerta físico y mental.  Para producir dichas hormonas, la tiroides concentra el yodo y lo procesa en su interior. El cáncer de tiroides es poco frecuente, representa menos  del 2 % del total de los cánceres, sin embargo es el más frecuente dentro de la patología endocrina.  Recientemente se ha observado que el número de casos de cáncer de tiroides se ha duplicado en las últimas tres décadas, probablemente por la ayuda del estudio ecográfico que permite pesquisar nódulos no palpables en el examen físico.   Sin embargo, la mortalidad ha disminuido, lo que podría atribuirse a su detección precoz y tratamiento agresivo.  La cirugía y la terapia de yodo radiactivo han sido las piedras angulares del tratamiento para el cáncer de tiroides.

Cerca de una semana antes de su tratamiento, nos juntamos en el bar de Ñuñoa que frecuentábamos en nuestros días universitarios. – ”¡Déjate de leseras!”, dijo, cuando yo bromeaba que literalmente se comería una parte de un reactor nuclear.  Inicie nuestra charla, diciéndole que se trataba de un isótopo radiactivo (radioisótopo) del Yodo,  en particular Yodo-131 (I-131 para los amigos) y que era un producto de fisión obtenido en un reactor nuclear.

A finales de los años 30, el Ciclotrón de Lawrence, en la Universidad de  California, Bekerley, había hecho posible la síntesis y el aislamiento de nuevos elementos químicos e isótopos.  Sin embargo, la mayoría de estos isótopos no tenía aplicación práctica inmediata, pero con la inquietud de unos médicos por un isótopo del yodo útil para el estudio del metabolismo de la tiroides, Glenn T. Seaborg (en la foto, P. Nobel de Química 1951) y John Livingood  crearon el Yodo-131.

El Yodo-131 también es un producto de fisión gaseoso que se forma dentro de las barras de combustible de los reactores nucleares. Alrededor del 1,5% a 2,0% de los productos de fisión del uranio o del plutonio se convierten I-131 mediante el decaimiento del Teluro-130, con una vida media de 25 min.  Eventualmente, se puede efectuar un bombardeo controlado de una columna de intercambio ionico con un óxido de Teluro  (Te-130, abundancia natural 34% ).  El Te-130 absorbe un neutrón y emite una partícula beta convirtiéndose en Te-131, y vuelta a decaer a I-131.  Así, el radioisótopo puede ser extraído (eluído se dice)  en solución para ser administrado con usos médicos.
Desde 1944, cuando el primer reactor nuclear entró en servicio, una gran cantidad Yodo-131 ha sido liberado a la atmósfera.  Las fisuras o fracturas en las barras de combustible pueden constituir una brecha para la la fuga yodo radioactivo al agua refrigerante.  Dado que existe un circuito hidráulico en el sistema, parte del material puede terminar como desecho del reactor.   La situación es diferente cuando detona una bomba nuclear o cuando el combustible de un reactor nuclear se funde y causa una explosión, el I-131 se eleva forzadamente en la atmósfera, es barrido por los vientos y puede caer y regresar al suelo, como fallout de material particulado, diluido en la humedad  o la lluvia.

Los datos del Consejo Nacional de Protección Radiológica y Medidas (NCRP) estiman que la dosis efectiva de radiación anual per cápita en Estados Unidos proviene de la exposición a radiación natural de fondo (background natural) en 50 % y de las exposiciones médicas en 48 % del total.  También incluyen los productos de consumo, de investigación, industrial, y la exposición ocupacional, que ascienden solo al 2%.  Entonces, menos del 1% de esta dosis de radiación proviene del I-131, el que debido a su corta vida media, decae rápidamente (pierde su nivel de radiactividad) y raramente existe en niveles significativos en el ambiente.

Sin embargo, el fallout de I-131 puede considerarse potencialmente nocivo debido a que, como sabemos, la tiroides metaboliza el yodo ingerido o inhalado, donde permance por períodos mayores que la vida media física.  En los casos de la exposición accidental a altos niveles de I-131, el riesgo es la posibilidad de ocurrencia de cáncer de tiroides radiogénico en alguna etapa de la vida. Por esta razón, si la población general es expuesta a una cantidad significativa de Yodo radiactivo ambiental, se prescribe la ingesta de tabletas de Iodoral (Yoduro de potasio, KI) o una solución de Lugol.  La dosis típica de adulto es una tableta de aproximadamente 100mg (100.000 microgramos) como ion yoduro. Con la ingesta de esta gran cantidad de yodo no-radiactivo, se minimiza la captación de yodo radiactivo por la glándula tiroides (la dosis diaria de yodo para mantener la salud normal es del orden de 100 microgramos).

La expresión de su cara me decía que la conversación demandaría más de una cerveza; y continuamos después de despachar al mesero con una ronda más y nuestros recordados italianos.

En medio de la catástrofe producida por el terremoto y tsunami, las autoridades japonesas confirmaron la presencia de contaminación por Yodo radiactivo en agua potable y alimentos en el área alrededor del planta Nuclear Fukushima Daii-chi.  En Tochigi fueron encontrados de 77Bq, 2.5Bq en Gunma, 0.62Bq en Saitama,  0.79Bq in Chiba, 1.5Bq in Tokyo and 0.27Bq in Niigata, niveles muy por debajo de 1MBq, el Límite Anual de captación, ALI (Bq o becquerel, es la medida la tasa de decaimiento radiactivo. M = Mega = 10⁶).   Según el análisis de los expertos, tanto del Japón, como del OIEA, las dosis liberadas al ambiente no representan ningún riesgo para la población en general.  De acuerdo con la tendencia, se observa que los niveles de exposición deberían disminuir con el paso de los días.

Para poner esta información en perspectiva, podemos comparar el accidente de Chernobyl (Abril 26, 1986), donde la explosión de vapor e incendio del núcleo del reactor, incontenible y carente de un sistema de refrigeración de emergencia, liberó a la atmósfera cerca del 2.000.000 TBq de I-131 (T = Tera = 10¹²). , algo más que el 15 % de su núcleo radiactivo.  Esto trajo graves consecuencia locales, como la contaminación de agua y alimentos, y un desgraciado aumento de la incidencia de cáncer de tiroides en los niños en Ucrania.  Cabe notar que hasta ahora, Chernobyl ha sido el único accidente en la historia de la generación núcleo eléctrica comercial, donde se han producido muertes directamente relacionadas con radiación (50 según IAEA).  Por otra parte, en el accidente de Three Mile Island (Marzo 28, 1979) las fugas producidas por el derretimiento parcial del núcleo fueron en gran medida contenidas en el edificio del reactor, y se liberó mucho menos de 1 TBq de I-131 al ambiente.  Para las personas que vivían a 15 km del reactor, la cantidad de radiación recibida fue equivalente a una radiografía de tórax y como resultado de este accidente no se registraron muertes.

Superado el desconcierto, nuestra charla siguió hasta saborear el final del vaso.

En general, la causa de la mayoría de los casos de cáncer de tiroides es desconocida. Sin embargo, la exposición a I-131 puede aumentar el riesgo de cáncer de tiroides. Se sabe que los niños tienen un riesgo, mayor que el promedio, de desarrollo de cáncer a la tiroides si estuvieron expuestos a la radiación.  Este conocimiento proviene de seguimientos a personas expuestas a tratamientos de radioterapia del cáncer durante la infancia, o la exposición directa a la radiación en los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki, o el accidente de Chernobyl.

decaimiento radiactivo del I-131

Si bien la cirugía es la base del tratamiento, la dificultad de remover todo el tejido tiroideo con la tiroidectomía requiere de un tratamiento de ablación radiactiva.  Recordemos que predominantemente el I-131 emite partículas negativas (β) con una energía de máxima de 606 keV y un prominente fotón gamma de 364 keV.  (La figura representa  una versión simplificada del esquema de  decaimiento radiactivo del I-131, que tiene una vida media de 8, días y que decae a Xe-131). Dado a su corto rango de penetración (menos de 1 mm), las partículas beta entregan la mayor porción de la dosis de radiación al tejido tiroideo. En cambio, la penetrante radiación gamma pone un potencial riesgo de radiación a las personas que están fuera del tratamiento.
Usualmente, luego de la tiroidectomía los pacientes reciben una dosis de I-131  entre 2 a 6 GBq, vía oral (G = Giga = 109).  Las regulaciones requieren un corto periodo de aislamiento en un hospital o clínica, típicamente dos o tres días, hasta que la tasa de radiación cae a niveles aceptables.  En casi todos los pacientes la mayor parte del radio-yodo administrado se elimina después de 48 hrs., a través de saliva, sudor, orina, heces, etc. Las personas que se someten al tratamiento tendrán que tomar pastillas de reemplazo hormonal el resto de sus vidas. Aunque este es un inconveniente, las tasas de recuperación son excelentes.  De hecho, la causa de la muerte entre las personas que alguna vez tuvo cáncer de tiroides rara vez son el resultado de la reaparición o la metástasis.

Parece extraño raro que el mismo producto de un reactor nuclear puede causar graves problemas por contaminación, también es una ayuda fundamental para el tratamiento del cáncer.
Quizás por la buena música o el exceso de cerveza, nuestra charla nuclear derivó precipitadamente a las bromas fomes e historias de siempre.  Una vez leí que cada momento contiene momentos futuros.  Hace unos días, mi amigo llamo para recordar esta charla.

Postscriptum: Mientras escribía esta nota encontré un atractivo trabajo acerca de los efectos radioprotectores de la cerveza. Ver :
- “Drinking beer reduces radiation-induced chromosome aberrations in human lymphocytes”, Monobe M, Ando K. J Radiat Res (Tokyo). 2002 Sep;43(3):237-45;
- “β-Pseudouridine, a beer component, reduces radiation-induced chromosome aberrations in human lymphocytes” M Monobe, S Arimoto-Kobayashi, K Ando, Mutation Research 538 (2003) 93–99.

A la fecha no encontramos otros reportes, ni de solicitud de voluntarios. No es malo protegerse con la moderación de siempre.

Sobre el autor: como se indica al principio, el Dr. Renato Saavedra es Investigador Asociado del Centro de Óptica y Fotónica, en la Universidad de Concepción; también es Profesor Asociado del Departamento de Física en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Concepción; y además es Tecnólogo Médico con mención en Radiología Física Médica de la Universidad de Chile. Desde los primeros días en que esta crisis ha aparecido en los medio el Dr. Saavedra ha jugado un rol muy importante en la difusión de estos temas en los medios tanto en radio como en televisión. Más sobre este tema y cerveza puede encontrarse siguiéndole en Twitter: @donrenatos

Imágenes: AIP Emilio Segre Visual Archives, CCHEN, NCRP.

Desde 1944, cuando el primer reactor nuclear entró en servicio, una gran cantidad Yodo-131 ha sido liberado a la atmósfera.  Las fisuras o fracturas en las barras de combustible pueden constituir una brecha para la la fuga yodo radioactivo al agua refrigerante.  Dado que existe un circuito hidráulico en el sistema, parte del material puede terminar como desecho del reactor.   La situación es diferente cuando detona una bomba nuclear o cuando el combustible de un reactor nuclear se funde y causa una explosión, el I-131 se eleva forzadamente en la atmósfera, es barrido por los vientos y puede caer y regresar al suelo, como fallout de material particulado, diluido en la humedad  o la lluvia.

 

Los datos del Consejo Nacional de Protección Radiológica y Medidas (NCRP) estiman que la dosis efectiva de radiación anual per cápita en Estados Unidos proviene de la exposición a radiación natural de fondo (background natural) en 50 % y de las exposiciones médicas en 48 % del total.  También incluyen los productos de consumo, de investigación, industrial, y la exposición ocupacional, que ascienden solo al 2%.  Entonces, menos del 1% de esta dosis de radiación proviene del I-131, el que debido a su corta vida media, decae rápidamente (pierde su nivel de radiactividad) y raramente existe en niveles significativos en el ambiente.

Terremoto en Japón: efectos de la Luna y la emergencia nuclear

Ayer fuimos testigos de una nueva gran liberación de energía producto del movimiento de las placas tectónicas. El terremoto en Japón y el posterior tsunami que sacudió la costa noreste de la isla ha estado en la mira de todo el mundo de la misma manera que lo han estado otros grandes desastres de este tipo en Nueva Zelanda hace unas semanas así como los ocurridos en Haití y Chile el año pasado. Sin embargo dos temas han centrado la atención en este caso.

La Luna como causa del terremoto

El primero es una maniobra de personas sin escrúpulos que sin guardar el mínimo de respeto de quienes han sido afectados por este desastre lo utilizan en su favor para lucrar. Me refiero a los charlatanes que aseguran conocer todas las respuestas (típicamente basadas en conspiraciones) que engañan a la gente que busca respuestas. Cuando se trata de temas en los cuales la ciencia no puede dar una respuesta definitiva (como predecir un terremoto) los charlatanes utilizan ideas pseudocientíficas para “explicar” absolutamente todo. En Chile hay un claro ejemplo el cual tiene un espacio en la TV y sus seguidores que lo defienden a toda costa. Charlatanes hay muchos y se han dado cuenta que lucrar con la ignorancia de la gente es un buen negocio. Esta vez no se culpó a los americanos por el uso de HAARP (que según dicen es un arma de destrucción masiva), esta vez la idea fue tomada de un artículo aparecido menos de 12 horas después de la tragedia en el MailOnLine. Dicho medio conecta un evento natural como es la cercanía de la Luna a nuestro planeta con la causa del terremoto. Hace días que este evento ha aparecido en los medios porque se dará la coincidencia de que el próximo 19 de marzo la Luna estará llena (la cara que vemos estará completamente iluminada por la luz solar) al mismo tiempo que pasará por su perigeo (punto más cercano a la Tierra). Astrólogos han usado este evento para “predecir” que catástrofes y caos reinará nuestro planeta cuando esto ocurra, por lo que el terremoto les vino de maravilla. Algunos usan el argumento que al estar más cerca de la Tierra la atracción gravitacional de la Luna puede afectar de manera distinta lo que ocurre en nuestro planeta. Lo cual es cierto, las mareas son afectadas pero el cambio es tan pequeño que nadie lo notaría.  Sin embargo sólo hace falta un mínino de pensamiento crítico para analizar la situación: la Luna orbita la Tierra cada mes, por lo tanto la Luna pasa por el perigeo cada mes! Qué hace el evento de este 19 de marzo tan especial? Nada. Además si bien la órbita lunar no es un círculo perfecto (la órbita es una elipse, es decir un círculo achatado), es necesario mencionar que la elipticidad (la medida de cuán achatada es la elipse) de la órbita es muy pequeña y es muy parecida a un círculo (aquí más detalles). Puede la Luna afectar nuestra conducta? No, así de simple, no hay evidencia de ello. Puede la Luna producir un terremoto? No, los terremotos se producen por el movimiento de las placas tectónicas (ver post sobre los terremotos). Cada quien es libre de creer en cualquier influencia de los astros en nuestra conducta o en el desarrollo de los eventos en nuestro diario vivir, sin embargo hacer creer a la gente que busca respuestas que este es el motivo es una una irresponsabilidad. De la misma manera que a veces nos sentimos estafados con la publicidad engañosa de un producto, vender teorías conspiratorias como algo real es vender un producto defectuoso. Resumiendo, la Luna no es responsable por este ni ningún otro terremoto. Además el terremoto ocurrió mucho antes de “lo predicho” cuando la Luna se encuentra a mitad de camino entre el punto más alejado de la Tierra (apogeo) y el perigeo, así que a quienes quieran creer en la charlatanería ahí tienen otra prueba de que no funciona. Finalmente, podrían al menos haber inventado que el terremoto de Japón liberó más energía que el de Chile debido a su cercanía con HAARP, pero probablemente ni siquiera saben dónde se encuentra HAARP. Qué es HAARP? Es una estación científica dedicada a estudiar fenómenos atmosféricos, principalmente las auroras (HAARP significa High Frequency Active Auroral Research Program) que se encuentra en Alaska. Sin embargo hablaremos más adelante en detalle sobre qué es HAARP y cómo no es una arma para producir terremotos.

Emergencia nuclear

Planta nuclear de Fukushima

El otro motivo que ha generado mucha expectación debido a sus posibles graves consecuencias es la falla en la planta nuclear de Fukushima. Para comprender a grandes rasgos el problema es necesario tener presente que estas plantas utilizan reacciones nucleares controladas que generan calor para producir vapor con el cual se mueven las turbinas que generan electricidad. Fukushima es una planta del tipo que se denomina reactor de agua en ebullición (o BWR) la cual funciona como un hervidor eléctrico que usa energía nuclear. Agua se inserta en el recipiente que contiene el reactor (1) la que hierve y sale en forma de vapor (6) hacia las turbinas (8 y9).

Esquema de un reactor de agua en ebullición.

El vapor es luego llevado al condensador (12) donde es enfriado para transformarlo en agua nuevamente (este proceso se llama condensación) y luego repetir el ciclo. Cuando el reactor está en funcionamiento, desechos radiactivos se forman a lo largo de las barras del combustible nuclear (2) compuestas por una mezcla de óxidos (MOX) de la misma manera que desechos se forman en el calentador de un hervido eléctrico. Cuando el reactor es apagado, insertando las barras (3) que detienen las reacciones nucleares, es necesario mantener el flujo de agua ya que los desechos radiactivos en las barras siguen produciendo calor por un par de días. En caso de una emergencia, como la ocurrida ayer, las barras son insertadas en el reactor con lo que todas las reacciones cesan. A pesar de que el reactor está apagado es necesario mantener el flujo de agua para sacar el calor que los desechos siguen produciendo en las barras. El agua se hace circular mediante motobombas que funcionan con la red de electricidad o con la ayuda de generadores a petróleo o con baterías (en caso de que alguna falle). El terremoto produjo el corte en la electricidad y dañó los generadores por lo cual el sistema está usando baterías. Sin embargo la presión del vapor ha aumentado demasiado y esta es la situación que tiene a todos preocupados. Además se han detectado índice de radioactividad que parecen indicar daños en alguna de las barras de combustible. Aunque los medios ya hablan de lo peor, podría pasar que en unos días las barras se enfríen lo suficiente como para que la presión no siga aumentando y se termine esta crisis, sin embargo esto se encuentra en desarrollo.
Enlaces de interés:
“¿Causó la Luna el desastre de Japón?”
“No, the supermoon didn’t cause the Japanese earthquake”
“Pseudoscience and the Japan Earthquake”
Timeline: Japan power plant explosion (BBC News)

Imágenes: Reuters, BBC, Wikipedia

¿Causó la Luna el desastre de Japón?

Entendiendo los terremotos

Hoy se conmemora un año del terrible terremoto (y posterior terriblísimo tsunami) que ocurrió en mi Chile; y recordando dicha fecha quiero escribir un poco de la ciencia tras los terremotos.

Como probablemente todos saben, los terremotos se generan por el movimiento de las placas terrestres debido a la llamada “deriva continental”. El movimiento de estos “parches” de los que está formada la corteza terrestre fue descubierto por Alfred Wegener, que no sólo se dió cuenta que las masas de tierra (como América del Sur y África) calzaban como en un puzzle, sino que también estudió las ubicaciones geográficas de fósiles de animales y plantas, junto con rocas sedimentarias de igual formación ubicadas en los distintos lados de las “piezas del puzzle terrestre”.

Aunque no se sabe exactamente que mecanismo es el principal responsable de este movimiento, se sabe que estas placas se han movido desde que se formó la Tierra y se seguirán moviendo hasta que se la coma el Sol (sí, eventualmente, el Sol se “comerá” a nuestro planeta en unos cuantos millones de años más). Las placas se mueven a una tasa promedio de 1 a 16cms al año (similar a la tasa de crecimiento de las uñas), pero tal como digo, esto es “en promedio” Imáginense que no se cortan las uñas por 10, 20, 30 o 100 años y de repente deciden cortárselas… ¡¡eso pasa en un terremoto!!.Un terremoto es la liberación de esa energía potencial acumulada por años liberada en un tiempo muy corto, moviendo millones y millones de toneladas de tierra, que termina formando valles, montañas, cordilleras, etc, etc.

Velocidades de las placas en cm/año (extracto del libro Introduction to Physical Geology de Thomson & Turk)

Como ejemplo, la energía liberada en el terremoto del 27 de febrero pasado en la costa del Bio-Bio (Chile) es equivalente a más de 1.000 bombas atómicas de Hiroshima. Es por esto que me indigna escuchar a algunas personas diciendo que los últimos terremotos son producto de una “gran conspiración” o “ensayo de microondas desde satélites”… ¿realmente creen que un satélite es capaz de lanzar una señal equivalente a 1.000 bombas atómicas desde una antena ubicada sobre la Tierra? Y para colmo, ¿ sin dejar ningún rastro en su paso?

Para poder comparar distintos terremotos, el (inicialmente) físico teórico Charles Richter se le ocurrió en 1935 medir la amplitud de un sismógrafo en una escala logarítmica, y ajustando con la distancia al epicentro concibió la hoy conocida escala de magnitudes Richter. Esta escala mide la energía liberada por el evento, se mide en números reales positivos (recuerden que es el resultado de una ecuación logarítmica) y no tiene un valor máximo. Que sea logarítmica significa que cuando un terremoto (A) es 1.0 grado mayor que otro (B), se liberó aprox 32 veces más energía. Pero si el terremoto (A) es 2.0 grados Richter mayor que el terremoto B, se liberó aprox 32 x 32 = 1024 veces más energía!!. Es por esto que es una ilusión decir “menos mal que hay hartos temblores chiquititos… asi nos liberamos del grande”. De ser así, tendríamos que haber tenido aprox 5600 terremotos como el del 21 de febrero pasado de Nueva Zelanda para liberar la energía equivalente de nuestro 27 de febrero 2010 en Bio-Bio, Chile. Como anécdota, Richter llamó a esto “magnitud” de un terremoto por su pasado interés en astronomía, donde la palabra magnitud relaciona el brillo de una estrella (el “brillo” de un terremoto). Otro error usual es decir… “alla en Bio-Bio fue 8.8, asi que en Santiago debió ser como 6.5″ Eso está muy mal, ya que la escala Richter mide energía liberada en el proceso; y no le urge saber donde fue… sólo le interesa que energía liberó. La escala Richter es útil para comparar terremotos desde el punto de vista científico.

Para medir un terremoto desde el punto de vista político, económico, gubernamental y/o social existe la llamada “Escala Modificada de Mercalli“. Esta escala fue inicialmente propuesta por Giusseppe Mercalli (y modificada posteriormente por otros científicos) mide efectos percibidos o daños ocacionados para poner un número que se encuentra tabulado. La escala Mercalli son números enteros y se denotan con números romanos (porque los romanos no tenían el concepto de número decimal). Como ejemplo, si usted siente un temblor y ve que se mueven unos vidrios; pero su vecino que estaba quedándose dormido no sintió nada, usted estuvo en un temblor clasificado como “grado IV en la escala de Mercalli”. Esta escala depende totalmente de la ubicación geográfica, el tipo de suelo, la calidad de las construcciones entre otros. El mejor ejemplo es el terremoto del 12-enero 2010 en Haití (magnitud Richter 7.0), pero fue IX o X en Mercalli. Sin embargo, el de 27-feb-2010 de Chile (magnitud Richter 8.8) fue VII o VIII en Mercalli. Bajo el concepto de esta escala, aquí sí tiene sentido que en distintas ciudades tenga distintas magnitudes Mercalli, al contrario de la escala Richter.

Error al describir la magnitud de un terremoto usando las escalas Richter y Mercalli

Espero que con esto no se cometan algunos de los errores usuales como decir “el terremoto fue 8.8 en escala Mercalli” (como alguna vez apareció en Tele13 Internet y muestro en la “captura de pantalla” adjunta) u otros. Mis condolencias a las familias que perdieron a sus seres queridos, sus casas y todo lo que tenian; en uno de los terremotos más grandes de la historia.