Desafiando la relatividad con desintegraciones nucleares

2vbbAMuchas veces se nos critica a los científicos por no compartir nuestro trabajo con el público general, principalmente porque nuestros resultados son reportados como documentos técnicos (papers) destinados a una audiencia especializada. Hace unos días se publicó un proyecto en el que llevo varios años trabajando y en presente artículo contaré de qué se trata.

La pregunta a responder es bastante simple: ¿son las reglas de la relatividad respetadas por los neutrinos producidos en una reacción nuclear? La búsqueda de posibles condiciones en las que la relatividad pudiese no funcionar apropiadamente es un activo campo de estudio teórico y experimental. Para una mejor apreciación y comprensión del presente artículo es recomendable haber leído mi artículo anterior a modo de introducción: Poniendo la relatividad a prueba.

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Maria Goeppert-Mayer (APS)

Desintegración nuclear doble beta

Maria Goeppert-Mayer es lamentablemente uno de esos nombres poco conocidos para la gente que no se dedica a la física nuclear. Goeppert-Mayer jugó un rol fundamental en la descripción matemática de las interacciones dentro del núcleo atómico. Su historia es fascinante, pero en vez de intentar describirla recomiendo leer el excelente artículo de Laura Morrón “Maria Goeppert-Mayer: La belleza de Göttingen“. Sobre su educación, basta con mencionar que estudió en Göttingen en los años donde allí se forjaba la mecánica cuántica. La desigualdad de género le trajo problemas toda su vida, pero logró destacarse por su trabajo y gran entendimiento de la física cuántica, lo que la convirtió en la colega favorita de Enrico Fermi. En su tesis de doctorado, supervisada por Max Born (uno de los padres de la mecánica cuántica sentado junto a Niels Bohr en la famosa imagen del Congreso de Solvay), Goeppert-Mayer desarrolló las ecuaciones que describen la absorción de dos fotones, es decir, explicó cómo un material podría absorber dos fotones a la vez, un problema matemáticamente muy complejo. Sus predicciones fueron comprobadas varias décadas más tarde, tras la invención del láser. De la misma manera, en 1935 Goeppert-Mayer publicó uno de los artículos más importantes para la física de neutrinos: la desintegración nuclear doble beta (abreviado 2νββ). La desintegración nuclear beta consiste en la transformación de un neutrón en un protón, cuando esto ocurre se emite un electrón (históricamente llamado partícula beta) y un antineutrino, este proceso es el que motivó a Wolfgang Pauli a postular el neutrino en 1930. Goeppert-Mayer modeló la extraña posibilidad de en que los núcleos de ciertos elementos este proceso ocurriera dos veces de manera simultánea, es decir, que dos neutrones se desintegraran al mismo tiempo en dos protones emitiendo dos electrones y dos antineutrinos. Por ejemplo, un núcleo del elemento xenón-136 se transformaría en un núcleo de bario-136 (el bario tiene dos protones más que el xenón).

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De cierta manera, dos desintegraciones nucleares simultáneas se parecían a la absorción de dos fotones que estudió durante su tesis, por lo que Maria describió este fenómeno con facilidad y elegancia. Esta desintegración nuclear doble beta fue observada varias décadas más tarde en varios elementos confirmando las predicciones de Goeppert-Mayer.
Más tarde ella también desarrolló la matemática detrás del famoso modelo de capas nucleares, lo que explica la estabilidad de ciertos núcleos, trabajo por el cual recibió el Premio Nobel de Física en 1963.

Volviendo a la desintegración nuclear doble beta, existe un proceso similar al descrito por Goeppert-Mayer en el cual la desintegración nuclear doble beta produce dos electrones pero sin la emisión de antineutrinos (abreviado 0νββ).

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Este proceso es de gran interés ya que revelaría una de las propiedades más fundamentales de los neutrinos, con consecuencias en muchos otros campos de la física. Aunque no ha sido observado todavía, sólo puede ocurrir si el neutrino es su propia antipartícula (lo que en lenguaje técnico se llama un fermión de Majorana), lo que tendría importantes consecuencias en la descripción de la física de neutrinos y por esto es uno de los más activos campos de investigación en la actualidad.

Desafiando la relatividad en la desintegración nuclear doble beta

Dado el gran interés en tratar de observar 0νββ, varios experimentos han sido diseñados y construidos en las últimas décadas. Algunos de los más importantes en funcionamiento son EXO-200 (en EEUU), GERDA (en Italia), KamLAND-Zen (en Japón) y Super-NEMO (en Francia), formados como colaboraciones internacionales con casi un centenar de científicos cada uno. Dadas las características de estos experimentos, cuando estaba en mi último año del doctorado decidí estudiar cómo podríamos usar experimentos de desintegración nuclear doble beta para buscar por posibles desviaciones de la simetría de Lorentz (detalles de este campo de estudio en el post anterior). Dado que 0νββ no ha sido observado mi idea parecía destinada al fracaso, sin embargo hay un detalle: los experimentos que buscan 0νββ usan elementos muy particulares, como xenón y germanio, los que también producen 2νββ en grandes cantidades. Los electrones emitidos en 2νββ se usan a veces como métodos de calibración del experimento pero principalmente son una molesta fuente de contaminación en los detectores y sólo complican la búsqueda de 0νββ. Aquí cambié de estrategia y me dediqué a calcular cómo buscar por posibles desviaciones de la simetría de Lorentz usando los “inservibles” datos obtenidos por un experimento debido a 2νββ, disponibles en grandes cantidades. El proceso no fue simple, los cálculos son bastante complejos y el proyecto me dio dolores de cabeza por varios meses. Fue interesante realizar una versión modificada del cálculo de Goeppert-Mayer. Finalmente obtuve el resultado, lo que dio origen a mi primera publicación como único autor a fines del doctorado. El artículo fue publicado en la revista Physical Review D a principios de 2014 (versión gratuita: arXiv:1311.0930).

Una vez terminado mi cálculo, el siguiente paso fue uno de los más importantes: darlo a conocer a los equipos que podrían usarlo para realizar un estudio experimental. Fui a varias conferencias y dicté muchos seminarios donde logré interesar a miembros de varios experimentos en EEUU y en Europa, sin embargo a pasos de mi oficina una profesora de mi universidad y su alumna de doctorado que trabajan en el experimento EXO-200 llevaron a una colaboración más cercana con este equipo. Además los otros equipos al estar a más de “un océano de distancia” hacían cualquier comunicación más lenta que caminar unos pasos desde mi oficina.

El artículo recién publicado corresponde a materialización de esta larga búsqueda: como el título describe esta es la primera búsqueda de desviaciones de la simetría de Lorentz en desintegración nuclear doble beta con EXO-200. El experimento EXO-200 (Enriched Xenon Observatory) utiliza 200 kg de un elemento llamado xenón-136 en estado líquido ultra puro (por eso el nombre “Enriched”). EXO-200 está ubicado en un recinto subterráneo llamado WIPP (Waste Isolation Pilot Plant) en el estado de New Mexico, EEUU. En este sitio a 650 metros bajo tierra en una formación salina se almacenan los residuos de la producción de armamento nuclear durante a Guerra Fría, por lo que las condiciones de seguridad son extremas. En 2014 hubo un pequeño incidente en el que el sello de un contenedor con sales metálicas con restos de plutonio proveniente de Los Alamos se reventó. Obviamente la causa no fue una reacción nuclear, el problema fue producido porque para absorver humedad estos contenedores se rellenan con cat litter (arena para gatos) convencional y este contenedor fue rellenado accidentalmente con “cat litter orgánico” fabricado con trigo. Los carbohidratos presentes en esta arena orgánica sirvieron como combustible para una reacción química con las sales de plutonio almacenadas liberando calor, el que a su vez aceleró las reacciones produciendo suficiente calor y gases para romper el sello del contenedor. La fuga radiactiva fue menor y no produjo problemas, pero dejó claro que escoger la arena de gato requiere estrictos protocolos ya sea para su baño de tu minino como para almacenar residuos nucleares.cat_litter2

Luego de casi dos años de trabajo, en nuestro estudio no encontramos señales de desviaciones de la simetría de Lorentz en desintegración nuclear doble beta de xenón-136. Este resultado no significa que la simetría de Lorentz sea exacta, pero señala que si cualquier desviación existe entonces debe ser muy pequeña y por esto no pudimos observarla en este experimento. Podemos decir que los neutrinos siguen respetando las reglas de la relatividad (por ahora). De todas formas determinamos por primera vez el rango de valores permitidos para el parámetro relevante en la teoría (SME). Trabajar con este equipo fue una experiencia muy enriquecedora, he colaborado antes con experimentales y las diferentes maneras de hacer análisis y resolver problemas es mutuamente educativo. Además de proponer la idea original, mi trabajo fue hacer los cálculos para la aplicación directa en este experimento y el análisis de datos fue realizado por la estudiante, que obtuvo su PhD hace unos meses y este proyecto fue parte de su tesis. Luego escribimos el paper juntos, el que pasó por un riguroso proceso de revisión interna de decenas de personas dentro de la colaboración EXO. Luego de varios meses fue aprobado y el artículo fue hecho público en el arXiv a fines de enero pasado (versión gratuita: arXiv:1601.07266); unas semanas más tarde fue aceptado en Physical Review D y publicado el pasado 1 de abril, exactamente dos años después de defender mi tesis de doctorado.

Dado mi interés en el trabajo de Maria Goeppert-Mayer este proyecto fue bastante significativo, supongo que ella se alegraría de saber que su idea de la desintegración nuclear doble beta puede ahora usarse para poner a prueba la relatividad con neutrinos.

 

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Poniendo la relatividad a prueba

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Einstein y Lorenz en Leiden.

Una de las preguntas que recibo bastante a menudo es de qué se trata mi trabajo. Por años mi tema de especialidad ha sido la física de neutrinos, sin embargo en los últimos años he ampliado mi horizonte explorando la física de rayos cósmicos, astronomía de rayos gamma y la física de neutrones. Estos campos son bastante amplios, por lo que muchas veces necesito especificar cuál es mi tema particular de investigación. En artículos anteriores he mencionado que consiste en usar partículas para desafiar la relatividad, para ponerla a prueba. No se trata de simplemente decir “la relatividad está mal”; desafiar la relatividad se trata de desarrollar e implementar métodos matemáticamente consistentes para realizar búsquedas experimentales de situaciones en las que desviaciones de la relatividad pudieran aparecer. Este artículo se trata de la importancia de poner a prueba esta importante teoría y su conexión con la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad. Espero que sirva para explicar un poco en qué consiste mi trabajo y este activo campo de la física; además servirá de introducción para futuros artículos en los que describiré estudios particulares que estoy realizando con equipos en diferentes laboratorios del mundo.

De la física clásica a la física moderna y más allá

La mecánica clásica de Newton funciona, sólo basta con mirar los edificios a nuestro alrededor y puentes que cruzamos cada día, ingenieros usan las leyes de Newton para describir la dinámica de suelos, la resistencia de materiales y las condiciones de equilibrio que mantienen estas grandes estructuras en su lugar. El reino de la física newtoniana prevalece en nuestro diario vivir, por lo que ingenieros diseñando puentes, edificios y vuelos espaciales pueden seguir usándola sin problemas, sin embargo existen condiciones en las que la física de Newton deja de ser válida. Cuando nos encontramos con condiciones extremas, como partículas que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz en un colisionador o en las cercanías de cuerpos extremadamente masivos la física de Newton deja de funcionar apropiadamente y es necesario usar una teoría más completa. Notar que esta nueva teoría contiene a la mecánica newtoniana como caso particular, es decir, no es necesario tirar la mecánica newtoniana al basurero. Es así como se desarrollaron modernas teorías como la relatividad y la mecánica cuántica, las que se reducen a las ecuaciones de Newton en las condiciones apropiadas.

La teoría de la relatividad también funciona. Esta observación ha sido confirmada una y otra vez en una gran cantidad de experimentos y desconocemos si hay condiciones en la que deje de ser válida, además del interior de agujeros negros o durante el Big Bang. Sin embargo habemos una clase de científicos herejes que nos cuestionamos ¿será la relatividad válida en todas las condiciones? ¿respetarán todas las partículas las reglas de la relatividad? El mismo Richard Feynman en el tercer volumen de las famosas Feynman Lectures exclama “hoy pensamos que la relatividad es válida para todas las energías, pero algún día alguien aparecerá y nos mostrará lo estúpidos que hemos sido”. Más que “alguien” hoy existe toda una comunidad de científicos de variadas disciplinas estudiando posibles situaciones en las que la relatividad podría dejar de funcionar a propiadamente. De la misma manera que la mecánica newtoniana es extendida por nuevas teorías, la relatividad podría necesitar modificaciones en ciertas condiciones. ¿Cuáles? No sabemos, ya que hasta ahora la relatividad parece funcionar.

Dado que no existe evidencia experimental de desviaciones de la relatividad entonces cabe preguntarse ¿para qué molestarse describiendo física más allá de la relatividad? Existen varias motivaciones, una de ellas es la preciada gravedad cuántica, teoría que todavía desconocemos pero que nos ayudaría a comprender la física de los agujeros negros y del Big Bang. En la búsqueda de una teoría unificada de la gravitación y la física cuántica varias ideas han sido propuestas. La más popular es la llamada teoría de cuerdas, pero existen muchas otras “teorías candidatas” a describir la gravedad a nivel cuántico, cada una con sus beneficios y problemas. Algo que muchas parecen tener en común es la posibilidad de que un ingrediente básico de la relatividad podría fallar, esto fue descubierto por Alan Kostelecký y Stuart Samuel en teoría de cuerdas en 1989. Este ingrediente se conoce como simetría de Lorentz, en honor al físico neerlandés Hendrik Lorentz (sentado junto a Einstein en la famosa imagen del Congreso de Solvay de 1927). A pesar de lo misterioso que puede sonar, la simetría de Lorentz es una idea notablemente simple, incluso espeluznantemente simple: las leyes de la física son las mismas en un laboratorio en reposo o en un laboratorio en un tren que se mueve a velocidad constante y sin importar la orientación del laboratorio. Digo “espeluznantemente simple” porque la relatividad es en realidad una consecuencia de que la naturaleza parece respetar de manera exacta la simplicidad de la simetría de Lorentz. Hace un tiempo escribí sobre la simetría de Lorentz y la mal llamada paradoja de los gemelos. Se podría decir que la simetría de Lorentz es el corazón de la relatividad especial y con esto de toda la física moderna (la relatividad general y el modelo estándar de física de partículas tienen como ingrediente la relatividad especial), por lo que la búsqueda de posibles fallas en la teoría de la relatividad se traducen en búsquedas de posibles desviaciones de una simetría de Lorentz exacta. Estas búsquedas experimentales pueden entenderse como versiones modernas y muy sofisticadas del famoso experimento de Michelson-Morley que buscaba evidencias del éter lumífero. Es importante aclarar que nadie intenta traer de vuelta la idea del hipotético éter lumífero del s.XIX, tampoco se trata de “probar que Einstein se equivocó” como lamentablemente  suelen tildar los medios este tipo de investigación. Buscar desviaciones de la relatividad consiste en estudiar bajo qué condiciones la relatividad podría dejar de ser válida, lo que tendría enormes consecuencias en nuestro entendimiento de la naturaleza.

Para diseñar estas modernas búsquedas de manera sistemática el mismo Kostelecký desarrolló una teoría efectiva (llamada Standard-Model Extension o SME) que describe todas las maneras matemáticamente consistentes en las que la simetría de Lorentz podría no ser exacta, lo que además de un tremendo logro teórico produjo un gran interés experimental. El desarrollo del SME condujo a una avalancha de estudios experimentales en este tema; en los últimos 25 años se han diseñado y realizado decenas de experimentos con diferentes tipos de partículas para medir los parámetros del SME. A pesar de que hasta ahora ninguna de las búquedas ha encontrado fallas en la relatividad, se han desarrollado nuevas técnicas experimentales empujando la sentividad de los instrumentos al límite. Más importante aún: existen muchas maneras en que estas desviaciones podrían manifestarse y la gran mayoría de estas posibilidades permanecen inexploradas.

Mi tesis de doctorado, bajo la supervisión de Kostelecký, consistió en diseñar este tipo de búsquedas usando neutrinos. Un profesor una vez me dijo que una de las grandes satisfacciones de cualquier físico teórico es ver que sus fórmulas son usadas para analizar los resultados de un experimento. Por esto ha sido un gran honor que importantes colaboraciones experimentales como MINOS (en EEUU) y Super-Kamiokande (en Japón), por mencionar algunas, hayan usado mi trabajo y realizado las búsquedas propuestas.

NuMiAunque no se han encontrado las señales buscadas no significa que la simetría de Lorentz sea exacta, pero indica que si cualquier desviación existe entonces debe ser muy pequeña y por esto no ha sido observada en estos experimentos.

Otra motivación para buscar desviaciones en la simetría de Lorentz es su conexión con un importante ingrediente de la física moderna llamado teorema CPT. Este teorema establece entre otras cosas que si en un experimento reemplazamos todas las partículas por sus antipartículas (C por conjugación de carga: equivale cambiar todas las cargas positivas por negativas y vice versa), al mismo tiempo que cambiamos la direción del espacio (P por paridad: equivale a ver el mundo en un espejo) y la dirección del tiempo (T por inversión temporal) entonces las leyes de la física serán las mismas. Este resultado también se conoce como simetría CPT. Si esta simetría CPT (que hasta ahora funciona) llegara a fallar entonces la simetría de Lorentz también debe fallar (esto es también un teorema descubierto en 2002 por Oscar Greenberg). Dado que CPT permite establecer relaciones entre materia y antimateria, cualquier desviación de la simetría CPT podría ayudar a explicar el imbalance de materia y antimateria luego del Big Bang y con esto explicar por qué existimos.

Ahora me dedico a construir métodos similares pero con fotones, los que serían relevantes para estudios usando rayos cósmicos y rayos gamma producidos por violentos eventos astrofísicos. Espero tener resultados interesantes para contar en el futuro.
De esto se trata desafiar la relatividad, dada su importancia como ingrediente básico de nuestras teorías modernas ponerla prueba es clave para estar seguros que no estamos construyendo teorías como castillos en la arena. Hasta la fecha los experimentos muestran que el suelo es sólido y la simetría de Lorentz no muestra señales de fallar, sin embargo esto no nos impedirá que sigamos buscando.

Para una introducción a este tema recomiendo el didáctico artículo The search for relativity violations publicado por Kostelecký en Scientific American hace unos años. Para quien le interese profundizar en aspectos técnicos, he escrito una introducción en mi web personal.

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LIGO descubre ondas gravitacionales

LIGOHoy jueves 11 de febrero de 2016, 100 años después de que Einstein descubriera que sus ecuaciones predicen ondas gravitacionales, el experimento LIGO ha anunciado su observación, confirmando la última predicción de la teoría de la relatividad general. Es un día para los libros de historia y con seguridad muchas botellas de champagne están siendo descorchadas en este momento en todo el mundo.
Para una completa apreciación de la relevancia de este descubrimiento, recomiendo primero leer mi artículo anterior ¿Qué son las ondas gravitacionales?

Anuncio de LIGO

Sin rodeos ni retrasos, como había sido programado, a las 15:30 GMT comenzó la rueda de prensa desde Washington D.C. El físico y director ejecutivo de LIGO David Reitze lanzó la clara frase “We have detected gravitational waves. We did it!” (¡Hemos detectado ondas gravitacionales. Lo logramos!) Continuó diciendo que “todos los rumores que han circulado son casi completamente correctos.”

¿Qué se midió?

El 14 de septiembre de 2015, a las 9:50 GMT, los sistemas automáticos de LIGO se activaron al detectar una señal, la esperada contracción y expansión de sus brazos de 4 km. cada uno. El cambio de longitud se mide con un sistema de interferometría (descrito en ¿Qué son las ondas gravitacionales?) y comenzó oscilando 35 veces por segundo, aumentando rápidamente a 250 oscilaciones por segundo, antes de desaparecer una fracción de segundo más tarde (0.25 s). Este tipo de señal es exactamente lo que se esperaría detectar como el paso de una onda gravitacional producida por la colisión (y posterior fusión) de dos agujeros negros. Sí, parece ficción pero esto que las matemáticas derivadas de las ecuaciones de Einstein predicen es exactamente lo que LIGO ha medido. Una de las confirmaciones críticas de que esta señal es real y no una falsa alarma es que fue detectada por los dos observatorios que posee LIGO.

En el gráfico mostrado en la rueda de prensa y que acompaña a la publicación en Physical Review Letters hecha pública hoy [1], se presenta la señal individual detectada en cada observatorio así como la superposición de ambas, además de la simulación obtenida al resolver numéricamente las ecuaciones de Einstein para el sistema de agujeros negros fusionándose. El acuerdo entre experimentos y teoría es espectacular.

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De este gráfico también se obtiene un resultado muy interesante; el eje y (strain) muestra la amplidud de la onda gravitacional, la que llegó a un máximo de 10-21. Este número puede parecer irrelevante, sin embargo revela una información espectacular: con el paso de esta onda gravitacional el espaciotiempo contrajo y expandió cada objeto a su paso, en particular el efecto en el diámetro de la Tierra fue de una centésima de millonésima de millonésima de metro ¡esto es parecido al tamaño de un átomo! El logro experimental es colosal, comparable a la increíble manera en que la relatividad general de Einstein permite describir fenómenos de nuestro universo.

¿Qué se descubrió?

Al analizar la forma de la onda mostrada en el gráfico anterior usando las ecuaciones de Einstein los físicos pueden descifrar una cantidad impresionante de información, por esto la importancia de detectar este tipo de señal.
No sólo permite confirmar la observación directa de ondas gravitacionales confirmando la última predicción de la relatividad general, también es posible determinar qué tipo de evento que causó la onda y sus propiedades. En el paper [1] los científicos de LIGO reportan que la señal fue causada por dos agujeros negros con 29 y 36 veces la masa de nuestro Sol. Luego de fusionarse, el sistema formó un nuevo agujero negro con 62 masas solares. La diferencia entre la masa final y la masa inicial, 3 masas solares, fue emitida en la forma de ondas gravitacionales. Como señaló Kip Thorne, “esta es la explosión más grande medida en la historia después del big bang”. Además, se ha determinado que este evento ocurrió a unos 400 mega pársecs de la Tierra, es decir, algo más de 1000 millones de años luz de distancia. La ubicación exacta de este evento no puede ser completamente determinada usando sólo dos observatorios, sin embargo se estima que ocurrió en la dirección de la Gran Nube de Magallanes en el cielo austral.

¿Para qué sirve este descubrimiento?

El descubrimiento de ondas gravitacionales anunciado hoy por LIGO nos confirma (una vez más) la existencia de los agujeros negros, nos muestra la existencia de sistemas binarios de agujeros negros, nos enseña sobre la física de la fusión de agujeros negros, nos confirma el poder de la relatividad general y además confirma que un experimento ridículamente complejo como LIGO funciona.

Para quien pregunte para qué sirven las ondas gravitacionales, le recuerdo que en 1887 Heinrich Hertz anunció la confirmación de las ondas electromagnéticas predichas por las ecuaciones de Maxwell sin saber si tendrían alguna aplicación práctica; hoy tenemos teléfonos inalámbricos, Wi-Fi y comunicaciones satelitales.

En las últimas décadas hemos sido testigos del descubrimiento de la expansión acelerada del universo, el descubrimiento del bosón de Higgs, el descubrimiento de la oscilación de neutrinos, y hasta el descubrimiento de neutrinos astrofísicos. Hoy LIGO nos ha dado un día para los libros de historia, el nacimiento de la astronomía de ondas gravitacionales, ocurrida oficialmente el 14 de septiembre de 2015. Las ondas gravitacionales se unen formalmente a los rayos gamma, rayos cósmicos y neutrinos astrofísicos a la familia de mensajeros cósmicos.

El video del anuncio completo a continuación:

 

Actualización (15 Jun 2016): LIGO anunció la observación de una segunda onda gravitacional producida por la colisión y fusión de dos agujeros negros. Detalles en “GW151226: Nueva onda gravitacional detectada por Advanced LIGO”.

Imágenes: LIGO
Ref: [1] LIGO, Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).

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¿Qué son las ondas gravitacionales?

Simulación de un sistema binario emitiendo ondas gravitacionales

Simulación de un sistema binario emitiendo ondas gravitacionales

En 1915, Einstein presentó su teoría general de la relatividad, en la que nos enseñó que el espaciotiempo es flexible y se deforma ante la presencia de objetos masivos como el Sol; hace unos meses celebramos los 100 años de esta espectacular teoría. Una pregunta inmediata que surge ante esta idea de un espaciotiempo flexible es ¿qué pasaría si un objeto tan masivo como para deformar el espaciotiempo se mueve rápidamente? ¿podría la agitación de objetos muy masivos generar ondas como las producidas al lanzar una piedra al agua? La respuesta es afirmativa, estas perturbaciones del espaciotiempo es lo que llamamos ondas gravitacionales. Un interesante ejercicio académico de todo estudiante de física es tomar las ecuaciones de la relatividad general y mostrar que una perturbación del espaciotiempo plano (equivalente a la hoja cayendo en la superficie de una posa de agua) se propaga en todas direcciones a la velocidad de la luz y que el campo gravitatorio obedece la llamada ecuación de ondas. Estas ondas gravitacionales son la única predicción de la teoría de Einstein que falta confirmar. La dificultad para observarlas es que se necesita agitar rápidamente una masa enorme para generar una onda gravitatoria, por lo cual es algo imposible de hacer de manera artificial en un laboratorio. Otro motivo es que sus efectos serían muy pequeños y por ello muy difíciles de medir.

Como analogía, imaginemos un mosquito caminando sobre la superficie del agua en una laguna. El mosquito sólo puede moverse en dos dimensiones espaciales (adelante/atrás y derecha/izquierda). Supongamos ahora que arrojamos una piedra al agua lejos del mosquito. Como es de esperar círculos en la superficie del agua se propagarán desde el lugar donde cayó la piedra, esto es una onda en la superficie del agua. En algún momento esta onda llegará a la región donde se encuentra el mosquito; allí la perturbación en la superficie moverá al mosquito hacia arriba y abajo al pasar.
Las ondas gravitacionales funcionan de manera parecida. Aunque a diferencia del mosquito, podemos movernos en las tres dimensiones espaciales de nuestro universo (adelante/atrás, derecha/izquierda y arriba/abajo). Cuando algún violento fenómeno astrofísico produce ondas gravitacionales, éstas se propagan en todas direcciones a la velocidad de la luz; en algún momento nos alcanza en la Tierra y podemos en principio detectar su paso. Contrario al mosquito que se mueve de arriba a abajo con el paso de la onda en el agua, una onda gravitacional al pasar a través de un cuerpo produce un estiramiento y contracción alternados como el mostrado en la siguiente animación:

paso de una onda gravitacional

paso de una onda gravitacional

Es importante destacar que este efecto es minúsculo, es demasiado pequeño, lo que ha dificultado la detección de ondas gravitacionales por décadas. Este estiramiento y contracción podría amplificarse con el uso de objetos de gran extensión como una larga barra. Para confirmar que se trata de una onda gravitacional, lo óptimo sería usar dos barras perpendiculares, así cuando una se estira la otra debe contraerse, permitiendo identificar el efecto como consecuencia de una onda gravitacional y no otro fenómeno que podría darnos una falsa alarma. Aunque un par de largas barras perpendiculares es una interesante manera de buscar ondas gravitacionales, físicos han diseñado un método más preciso y avanzado para desarrollar observatorios de ondas gravitacionales usando una técnica llamada interferometría. El principio básico es el siguiente: en vez de dos barras, el haz de un láser se descompone en dos partes las que son enviadas en direcciones perpendiculares para ser reflejados por espejos al final del camino (éstos son los llamados brazos del observatorio).

Interferómetro básico

Interferómetro básico

A su regreso, ambas componentes reflejadas son recombinadas para reconstruir el haz inicial. Cualquier cambio, por pequeño que sea, en la longitud de alguno de los brazos producirá modificaciones medibles en el haz reconstruído. Esta técnica permite una continua vigilancia en la longitud de los brazos del observatorio con una precisión increíble.

Existen varios observatorios que usan la técnica recién descrita. El más famoso es LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), con dos brazos perpendiculares en forma de “L” con 4 km de longitud cada uno. LIGO es en realidad dos observatorios en EEUU ubicados en Hanford (Washington) y en Livingston (Louisiana).

LIGO

Vista aérea de LIGO en Hanford, donde se aprecian sus brazos perpendiculares de 4 km. cada uno

Otros observatorios de este tipo existen también en Alemania (GEO600), Italia (VIRGO) y Japón (KAGRA).

einsteinEinstein y las ondas gravitacionales

Luego de presentar al mundo las ecuaciones de la relatividad, Einstein se lanzó a usarlas para describir sistemas físicos, desde el movimiento de los planetas hasta la evolución del universo. Una de las soluciones encontradas por Einstein en 1916 fue que una pequeña perturbación del espaciotiempo se propagaría como una onda, así nacieron las ondas gravitacionales. Décadas más tarde Einstein consideró que esta solución podría ser no física, es decir, sólo una curiosidad matemática sin sentido físico real. En 1936 llegó incluso a escribir un artículo titulado Do Gravitational Waves Exist? (¿Existen las ondas gravitacionales?) junto a su asistente el físico Nathan Rosen, en el que creían demostrar que las ondas gravitacionales no exitían. Al enviarlo a publicar a la prestigiosa revista Physical Review, su artículo fue rechazado por tener un error, según el referee anónimo. El genio del siglo XX no pudo contener su molestia por el rechazo y el sistema de revisión de la revista estadounidense, por lo que en vez de considerar las sugerencias del referee y corregir el error decidió nunca más publicar en Physical Review y envió su artículo a una revista poco conocida, la que lo aceptó de manera inmediata.
Por suerte para el genio, su nuevo asistente llamado Leopold Infeld le describió la idea del artículo al conocido físico Howard P. Robertson, quien refutó la idea ya que contenía un error, el mismo mencionado por el referee anónimo de Physical Review. Cuando Infeld le contó sobre los detalles descritos por Robertson, Einstein cambió de opinión y modificó considerablemente el artículo, el que se publicó bajo el título On Gravitational Waves (Sobre las ondas gravitacionales). Al final de la versión modificada Einstein incluyó el comentario “La segunda parte de este artículo ha sido considerablemente modificada… ya que originalmente interpretamos erróneamente el resultado de nuestras fórmulas. Agradezco a mi colega el Profesor Robertson por su amigable asistencia en la clarificación del error original.” Décadas más tarde se supo que el misterioso referee de Physical Review que rechazó el paper original de Einstein y Rosen fue el mismo Robertson, quien a través de Infeld pudo hacer notar el error reportado por el referee sin revelar su identidad.
Más detalles de esta interesante historia pueden encontrarse en el artículo “Einstein vs. Physics Review”, publicado en Physics Today (Sep 2005) [1].

Detección indirecta de ondas gravitacionales

Es importante mencionar que los físicos estamos muy seguros de que las ondas gravitacionales existen ya que sus efectos han sido medidos de manera indirecta como la pérdida de energía en el sistema de púlsares que orbitan un centro común (a esto se le llama un sistema binario). La medición ha sido indirecta ya que no se han detectado las ondas gravitacionales pero sí se han confirmado sus efectos al ser emitidas por este sistema binario. Este descubrimiento fue realizado en 1974 por el físico Russell Hulse y su profesor Joseph Taylor. El monitoreo de este sistema binario durante 30 años se muestra en el gráfico más abajo, donde los datos experimentales sigen de manera espectacular la curva esperada por la emisión de ondas gravitacionales en el contexto de la relatividad general. Este es con seguridad uno de los gráficos más hermosos en física:

pulsar_gravitational_waves

30 años del pulsar binario B1913+16 [2]


En 1993 Hulse y Taylor recibieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento.

 

Anuncio de LIGO

LIGO ha llamado a una rueda de prensa para el jueves 11 de febrero para presentar una actualización en su búsqueda de ondas gravitaciones, reiniciada en septiembre de 2015 tras una actualización y mejora de muchas de sus tecnologías. Rumores señalan que LIGO anunciará la esperada observación de ondas gravitacionales con una alta significancia (descubrimiento). Aunque lo más prudente es esperar al anuncio de la colaboración por parte de su portavoz, la física argentina Gabriela González, esta vez hay esperanza de que algo grande se anuncie, en especial después de fiascos como el “descubrimiento” anunciado por BICEP2 (que resultó ser un resultado poco claro). Si se confirma el rumor será un día de fiesta para la física, sin duda un día histórico, se descorcharán botellas de champagne alrededor del mundo y comenzarán las apuestas por el Premio Nobel. Será también interesante ver a una mujer (la portavoz de LIGO) en el centro de la atención científica justo en la fecha que la ONU ha elegido para celebrar el Día Internacional de las Niñas y Mujeres en Ciencia.

Actualización (11Feb2016): LIGO anunció la observación de ondas gravitacionales producidas por la colisión y fusión de dos agujeros negros. Detalles en LIGO descubre ondas gravitacionales.

Imágenes: NASA, LIGO, ESA.

Referencias:
[1] D. Kennefick, Einstein vs. the Physical Review, Physics Today, Sep. 2005, p.43 (2005).
[2] J.M. Weisberg, J.H. Taylor, Relativistic Binary Pulsar B1913+16: Thirty Years of Observations and Analysis, arXiv:astro-ph/0407149.

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Hablemos de energía nuclear

PowerPlantLa energía nuclear es la más incomprendida de las fuentes de energía. Para mucha gente energía nuclear es sinónimo de contaminación por radiación y desastres como Chernobil, por este motivo ha sido de gran impacto en muchos medios internacionales cuando a principios de diciembre, durante la Conferencia Internacional sobre Cambio Climático en París, científicos y ambientalistas llamaron al uso y desarrollo de la energía nuclear como recurso fundamental para enfrentar el cambio climático. ¿Cómo es posible que algunos ambientalistas y científicos apoyen la energía nuclear?

En Chile hace unos años sólo la evaluación de la factibilidad de generar electricidad usando energía nuclear llevó a protestas por parte de grupos ambientalistas y a su rechazo inmediato por parte de la población, los medios y gobernantes. A pesar de las reacciones de rechazo, fue interesante que al menos el tema se discutiera. Lamentablemente ha faltado un debate informado de este tema. La energía nuclear tiene algo en común con otros temas que producen reacciones similares: transgénicos y vacunas. Estos tres casos (energía nuclear, transgénicos y vacunas) comparten ciertas similitudes tanto en la reacción que producen como en los principales argumentos usados, que son el miedo y la desinformación. Mucho se dice de estos temas y YouTube está lleno de “documentales” que poco ayudan a informar adecuadamente. Hoy en día disponemos de variadas y confiables fuentes de información, es nuestro deber informarnos apropiadamente y formarnos una visión frente estos temas.

En 2011 la opción de un programa nuclear de potencia (es decir, para generar electricidad) comenzaba a discutirse seriamente en Chile, sin embargo Fukushima eliminó cualquier debate y no se volvió a hablar del tema. En 2015 el Ministerio de Energía solicitó a la comisión de expertos a cargo de analizar la opción nuclear que reanudara su estudio y presentara conclusiones actualizadas. El documento final antes de ser terminado ya estaba siendo rechazado (sin haberlo leído) por figuras políticas emblemáticas. El informe “Generación Núcleo-Eléctrica en Chile: Hacia una Decisión Racional” es público y puede obtenerse en la web de la Comisión Chilena de Energía Nuclear.

Me interesa conocer los motivos o argumentos que hacen que alguien (ya sea en Chile o en otro país) se oponga o esté a favor de la energía nuclear, por lo que invito a dejar en los comentarios una breve descripción de sus motivos. Por ejemplo: “Estoy a favor de la energía nuclear porque no produce gases de invernadero” o “Estoy en contra de la energía nuclear porque no es segura”. La idea es conocer por qué sí o por qué no, para luego buscar información al respecto y presentarla con referencias y datos oficiales, para así evitar esos pseudo-debates impulsados por sentimientos más que evidencia. Luego de reunir varias respuestas publicaré un post con los detalles. El plan es debatir como adultos, por lo que descalificaciones de cualquier tipo no serán consideradas.

¿A favor de la energía nuclear? ¿En contra de la energía nuclear? ¿Por qué?

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Mensajeros cósmicos I: rayos cósmicos

Cosmic RayCargas eléctricas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen, es un principio de electrostática que aprendemos en la escuela. La manera en que dos cargas eléctricas interaccionan fue descubierta en el siglo XVIII por el físico francés Charles-Augustin de Coulomb y es equivalente a la ley de gravitación universal de Newton para cargas eléctricas, hoy le llamamos ley de Coulomb.
Nuestra historia de misterio comienza con un dispositivo diseñado para medir la carga eléctrica de un objeto, llamado electroscopio. Este simple aparato consiste en dos delgadas láminas metálicas que cuelgan de una barra dentro de un recipiente transparente. Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se acerca a la barra metálica, el exceso de carga eléctrica se distribuye en las láminas, las que al cargarse del mismo signo se separan debido a la mutua repulsión eléctrica, de acuerdo a la ley de Coulomb. Cuando el electroscopio se descarga (al conectar la barra a tierra), las láminas pierden su exceso de carga y con ello su mutua repulsión por lo que se juntan nuevamente. Es un aparato tan sencillo que cualquiera puede construirlo en su casa; recuerdo haber pasado con fascinación muchas tardes jugando con mi propio electroscopio cuando niño ya que es lo más cercano a un truco de magia (lo recomiendo).

electroscopio

electroscopio

En 1785, Coulomb hizo una inquietante observación: luego de cargar un electroscopio y aislarlo, este debería permanecer cargado (con sus láminas separadas), sin embargo era común ver que al esperar lo suficiente las láminas se acercan lentamente indicando que la carga eléctrica en exceso desaparece. Así como la energía se conserva (no se crea ni destruye, sólo se transforma), la carga eléctrica no puede desaparecer, debe ir a algún lado.
Durante el siglo XIX los fenómenos eléctricos y magnéticos condujeron a una revolución en la física; uno de sus protagonistas fue el inglés Michael Faraday, a quien debemos el principio básico del generador de electricidad y el motor eléctrico (además de una impresionante lista de invenciones y descubrimientos) que conducirían al desarrollo industrial moderno. En 1835 Faraday fabricó electroscopios con mejor aislación que los usados por Coulomb medio siglo antes y verificó su observación de la llamada descarga espontánea de un electroscopio. Faraday propuso que la única manera de comprender este fenómeno era suponiendo que el ambiente debía estar rodeado de algún tipo de flujo de partículas cargadas moviéndose por el aire que permitían la descarga del electroscopio. Sin embargo su solución al problema no explica la naturaleza de ese “flujo de partículas cargadas”. Electroscopios fueron llevados a profundas minas subterráneas y túneles, donde se comprobó que allí también se producía la descarga espontánea.

A fines del siglo XIX uno de los grandes desarrollos de la física fue el descubrimiento de la radiactividad. En su intento por comprender el motivo por el cual ciertos elementos químicos como el uranio o el torio emitían radiación, en 1898 Marie Curie propuso que el cosmos estaría lleno de radiación de alta energía que era absorbida por elementos pesados en la Tierra (como el uranio y el torio) lo que generaba su radiactividad. Esta descripción de la radiactividad resultó ser incorrecta, sin embargo la visionaria idea de Madamme Curie al imaginar radiación de alta energía en el cosmos resultaría correcta por motivos completamente diferentes.

Volviendo al electroscopio, el estudio de la radiactividad daría los esposos Curie el Premio Nobel de Física en 1903 y no pasó mucho tiempo hasta que a alguien se le ocurrió ver si estos elementos afectarían la descarga de electroscopio. Así fue como el canadiense Robert Duncan descubrió que una fuente radiactiva podría descargar rápidamente un electroscopio a través del aire, sin contacto. Esto llevó al neozelandés Ernest Rutherford, quien más tarde descubriría el núcleo atómico y se convertiría en el padre de la física nuclear, a proponer un posible origen al flujo de partículas cargadas propuestas por Faraday: las rocas de la Tierra con sus diferentes elementos producen radiactividad natural en la forma de radiación que emanaría del suelo, se movería a través del aire y neutralizaría la carga en el electroscopio descargándolo. Al fin había una posible respuesta que tenía sentido. Sin embargo en física una hipótesis que tenga sentido no es suficiente y no necesariamente es la respuesta correcta. Otras ideas también fueron propuestas, por ejemplo, el genial Nikola Tesla sugirió que la radiación propuesta por Faraday era producida por el Sol y llegó incluso a patentar en 1901 un aparato que haría uso de esta radiación para generar electricidad.

Para medir la hipotética radiación proveniente del suelo se propuso cargar un electroscopio y medir el tiempo que demora en descargarse espontáneamente; según la hipótesis, a mayor altura (más lejos de la Tierra) debería haber menos radiación y por lo tanto el electroscopio se descargaría más lentamente, a menor altura (más cerca de la Tierra) habría más radiación y el electroscopio se descargaría más rápido. La carrera por medir esta radiación que emanaba de la Tierra había comenzado y físicos alrededor del mundo se lanzaron a construir electroscopios cada vez más precisos para medir su tiempo de descarga espontánea a diferentes alturas. En Alemania el físico y sacerdote jesuíta Theodor Wulf se hizo famoso por construir los mejores electroscopios y además los perfeccionó para hacerlos fácilmente transportables. En 1909 Wulf estaba de viaje en París y llevó consigo su mejor electroscopio; subió a lo alto de la Torre Eiffel para realizar mediciones sin embargo los 300 metros de altura no fueron suficientes para medir un cambio significativo.

CosmicRay_peopleCon la aviación todavía en pañales, los vuelos en globo eran la única manera de realizar mediciones científicas a gran altura. El obvio siguiente paso sería volar en globo llevando un electroscopio, a lo que varios valientes se arriesgaron. En Alemania en 1909 el físico Karl Bergwitz llegó hasta una altura de 1300 metros y Albert Gockel en Suiza llegó a los 3000 metros, pero sus mediciones no fueron conclusivas. Incluso a esa altura la radiación parecía no disminuir, lo que tenía de cabeza a la comunidad científica de la época.

En Italia el físico Domenico Pacini tuvo una ingeniosa idea: en vez de buscar una gran altura para alejarse del suelo, Pacini hizo sus mediciones en un barco al medio de un profundo lago, donde el suelo está bastante lejos (al fondo del lago) y por lo tanto sería equivalente a hacer las mediciones a gran altura. También llevó un electroscopio al mar en su barco. Sus resultados mostraron que sin importar cuán lejos estuviese de la costa, el electroscopio se descargaba de la misma forma. A la radiación parecía no importarle lo lejos que estuviese del suelo por lo que Pacini consideró que la radiación no provenía del suelo sino que del cielo. Convencido de que la radiación no tenía su origen en la Tierra, en 1910 Pacini estudió el posible cambio de la radiación durante el paso del cometa Halley, sin embargo no hubo diferencia alguna y el cometa fue descartado como una explicación.

Victor Hess

Victor Hess

El misterioso origen de la radiación que descargaba el electroscopio no revelaba su naturaleza tan fácilmente y muchos valientes siguieron realizando mediciones en profundos lagos y a grandes alturas, hasta la llegada del más obstinado de todos. En 1911 el arriesgado físico austriaco Victor Hess realizó seis vuelos a diferentes alturas sin resultados concretos. Frustrado se dio cuenta que a única solución parecía ser llevar un electroscopio más y más alto, sin embargo debido a las condiciones de la atmósfera y en especial la falta de oxígeno, viajes en globo a más de 3000 metros sin equipos especiales para la respiración eran casi un suicidio.
En 1912, con un gran espíritu de aventura, además de pasión y curiosidad por conocer la respuesta, Hess decidió arriesgarse y reclutó a un par de osados viajeros: un globero y un meteorólogo. En vez de los típicos globos usados hasta entonces, Hess tomó medidas drásticas y junto a su tripulación ascenderían en un globo inflado con más de 1600 m³ de peligroso y altamente inflamable hidrógeno. Además las mediciones serían realizadas con tres diferentes electroscopios. A las 6:20 de la mañana del 7 de agosto Hess se embarcó en su séptimo viaje, el que lo dejaría en los libros de la historia de la física. En el ascenso Hess cargaba los electroscopios y medía el tiempo de descarga espontánea, mientras ascendían repetía la medición una y otra vez. A las 8:30 se encontraban a 3000 metros, 45 minutos más tarde alcanzarían los 4500 metros. Después de cuatro horas y media de vuelo, Hess y sus instrumentos llegaron hasta aterradores 5350 metros de altura. Con gran cuidado y dedicación, y probablemente con una sonrisa en la cara, Hess registró cómo cambiaba la cantidad de radiación al alejarse de la tierra. Allí comenzaron el descenso, aterrizando Brandeburgo en las afueras de Berlín pasado el mediodía.

Victor Hess luego del descenso

Victor Hess al comienzo de uno de sus famosos vuelos

Hess finalmente logró medir un cambio significativo de la cantidad radiación con la altura, sin embargo al ver sus datos recolectados no tuvo uno de esos ficticios momentos de gritar ¡eureka! sino que al contrario tuvo uno de esos momentos de asombro que marcan un gran descubrimiento, los cuales van probablemente acompañados de una fuerte interjección: Hess descubrió que a mayor altura sus electroscopios se descargaban más rápido, es decir, mientras más se alejaba del suelo mayor era la radiación que descargaba sus instrumentos. Este resultado contradecía completamente la hipótesis original. Tratando de hacer sentido a sus mediciones y de cierta manera de acuerdo a las ideas de Pacini, Victor Hess se arriesgó a anunciar que la radiación que descarga los electroscopios no proviene de abajo sino que de arriba, esta radiación compuesta por las partículas cargadas propuestas por Faraday no tendría su origen en la Tierra sino que vendrían del cosmos y bombardearían continuamente nuestra atmósfera. Hess había descubierto la existencia de una radiación cósmica y tenía los datos experimentales que lo demostraban. La hipótesis y los resultados de Hess fueron después confirmados independientemente por muchos otros arriesgados físicos que volaron hasta más de 9000 metros, mostrando que la intensidad de la radiación seguía aumentando con la altura.

Con el descubrimiento de esta radiación cósmica Hess se convirtió en una celebridad aunque generaba también muchas preguntas: ¿de dónde proviene esta radiación? ¿qué es esta radiación, son partículas de luz o de materia? ¿cuál es su energía? Mirando al cielo, la fuente más obvia era el Sol y la hipótesis de Tesla comenzó a popularizarse. El mismo Hess se arriesgó en peligrosos viajes en globo durante la noche para poner a prueba esta hipótesis, demostrando que la radiación era la misma día y noche. Más tarde y volando en globo durante un eclipse solar Hess confirmó que el Sol no podía ser la fuente de la intensa y energética radiación del cosmos, su origen seguía siendo un misterio.

Robert Millikan

Robert Millikan

Aunque el descubrimiento y estudio de la radiación cósmica se realizaba principalmente en Europa, la Primera Guerra Mundial impidió gran parte de la cooperación internacional entre científicos y en Estados Unidos un afamado físico experimental comenzó a ganar protagonismo. Después de la Primera Guerra el estudio de la radiación cósmica se trasladó a EEUU, donde Robert Millikan era un reconocido físico experimental por su medición de la carga eléctrica del electrón. Millikan era un ferviente defensor de la naturaleza ondulatoria de la luz y por años criticó el concepto de fotón introducido por Einstein en 1905. Tanto era su descontento con la idea de corpúsculos de luz que se dedicó a realizar muchos experimentos para demostrar que la fórmula del efecto fotoeléctrico de Einstein era errónea.  Al contrario, Millikan demostró que la fórmula de Einstein está en completo acuerdo con los experimentos. La ironía es que con esto Einstein obtuvo el Premio Nobel en 1921 y Millikan el Premio Nobel en 1923. Millikan tenía una gran influencia política y mediática, era también el director del importante Laboratorio de Física del Instituto Tecnológico de California (Caltech) por lo que esta institución se convirtió en uno de los polos de estudio de la radiación cósmica. Cuenta la leyenda que Millikan repitió muchos de los experimentos de Hess y Pacini sin mencionarlos por lo que se llevó mucho del crédito, aunque sus resultados eran conocidos en Europa 10 años antes.
Usando la reciente tecnología de transmisión de datos de la época, Millikan desarrolló electroscopios que podían volar en globos a gran altitud sin necesidad de personas realizando la medición. Así llegó hasta 15.000 m de altura donde encontró sólo un 25%
de la radiación reportada por Hess. Con su característico estilo, en la reunión anual de la Sociedad Americana de Física (APS) en 1925 anunció sus resultados indicando que la radiación cósmica no existía; con toda la autoridad de un poderoso y respetado físico experimental que acababa de ganar el Premio Nobel refutó la idea de Hess señalando: “toda esta radiación tiene un origen local”. Esta declaración generó mucho impacto, pocos se atrevían a contradecir a una eminencia como Millikan. Su principal detractor fue Arthur H. Compton, un brillante físico experimental que dos años más tarde (en 1927) recibiría el Premio Nobel por el descubrimiento del efecto que lleva su nombre y que confirmó la naturaleza corpuscular de la luz propuesta por Einstein. Este descubrimiento constituyó evidencia concreta de que la luz tiene propiedades de onda y de partícula, por lo que Compton y sus experimentos jugaron un rol fundamental en el establecimiento de la física cuántica. En la famosa imagen del Congreso de Solvay de 1927 aparece sentado detrás de Einstein.

Millikan siguió realizando experimentos a grandes alturas que lo llevaron desde profundos lagos en California hasta la cordillera de Los Andes en Bolivia. Más tarde cambiaría drásticamente de opinión: repitiendo los experimentos de Pacini bajo el agua concluyó que debería existir una radiación en toda la atmósfera a la que llamó rayos cósmicos (término usado hasta hoy). A pesar de haber re-descubierto la radiación conocida desde la medición de Hess en 1911 y repitiendo los experimentos de Pacini, Millikan le hizo tanta publicidad a “su descubrimiento” que los medios de la época en EEUU se referían a “los rayos de Millikan” así como hoy los medios hablan de partículas divinas.

En 1928 los medios se deleitaban publicitando los energéticos “rayos de Millikan”

En Europa, Hess y Pacini muy molestos escribieron varios artículos tratando de recuperar el crédito que con esfuerzo habían ganado una década antes y que ahora les quitaban desde el otro lado del Atlántico.

Millikan_TIME

Millikan en portada

En EEUU los medios celebraban este “triunfo de la ciencia estadounidense” y el “descubrimiento” llevó a Millikan hasta la portada de la afamada revista Time. Esta controversia generó varios artículos y cartas en los que se intentaba aclarar que los resultados de Millikan simplemente confirmaban el descubrimiento de Hess y los varios valientes que siguieron sus pasos en peligrosos vuelos en globo a gran altura. Mientras, Millikan contaba a los medios sus aventuras acarreando equipos científicos para realizar sus mediciones en Los Andes, en profundos lagos en California y con globos en Texas.

Volviendo a la física, Millikan no sólo bautizó a los rayos cósmicos, también se atrevió a formular que éstos no son partículas de materia y defendía la idea de que los rayos cósmicos eran simplemente rayos gamma, es decir, fotones de alta energía y no partículas cargadas. Varios años pasaron antes de confirmar la naturaleza de los rayos cósmicos ya que si Millikan decía que eran fotones, entonces debían ser fotones. Si se trataba de rayos cósmicos Millikan tenía la última palabra.

Ajeno al mundo de los rayos cósmicos, un estudiante de Rutherford llamado Hans Geiger trabajaba en física nuclear. Ante la necesidad de distinguir partículas cargadas eléctricamente en su laboratorio, el maestro le encargó a su pupilo construir un detector especial. Más tarde Geiger perfeccionó este detector junto a Walther Müller, su primer estudiante. Juntos inventaron un dispositivo para detectar partículas cargadas. Este es el famoso contador Geiger-Müller que se usa hasta nuestros días y que emite el característico sonido cuando detecta radiación ionizante. Este invento fue una sensación inmediata y comenzó a usarse en laboratorios alrededor del mundo. En 1929 se confirmó que los rayos cósmicos activaban el contador Geiger, lo que permitió al fin confirmar que deberían ser partículas de materia con carga eléctrica y no las partículas de luz (fotones) que Millikan defendía apasionadamente. Al mismo tiempo, el ruso Dmitri Skobeltsyn se dedicó a estudiar rayos cósmicos usando una cámara de niebla y observó que la trayectoria de los rayos cósmicos se curva en la presencia de un campo magnético, prueba irrefutable de que poseen carga eléctrica (y por lo tanto no son fotones). Skobeltsyn también observó que algunos electrones se curvaban en la dirección opuesta a la esperada, como si tuviesen carga positiva pero lamentablemente interpretó esto como un error experimental probablemente debido a que el campo magnético estaba al revés (esta errónea particle_showerinterpretación le costó el Premio Nobel). Estas observaciones serían suficientes para resolver el misterio, pero muchas veces la física avanza gracias a los incansables cuestionamientos de gente muy testaruda e inteligente como Millikan. Siendo un hueso duro de roer y con orgullo por su hipótesis, Millikan aceptó la evidencia presentada sin embargo planteó una interesante idea: si los rayos cósmicos tuviesen suficiente energía entonces producirían nuevas partículas al colisionar con los átomos de la alta atmósfera, por lo tanto lo que observamos en todos estos experimentos terrestres no es el rayo cósmico inicial (llamado primario) sino que las partículas creadas en la colisión entre el primario y núcleos atómicos en la atmósfera. Así Millikan introdujo el concepto de lluvia de partículas secundarias (particle showers) que serían lo que se mide en experimentos en la superficie de la Tierra. Esta idea se usa hasta hoy y sirve como principio básico de los experimentos en el LHC que detectan la lluvia de partículas creadas al colisionar protones. Curiosamente, Georges Lemaître, famoso por sus estudios en cosmología, se interesó en los rayos cósmicos porque pensaba que eran los restos de la explosión que habría dado origen al Universo. Esta idea es incorrecta, pero su historia es muy interesante.

Millikan sabía que ir al espacio para realizar mediciones no era una opción realista en esos años por lo que mantuvo su postura de que los rayos cósmicos primarios podrían ser partículas de luz y no partículas de materia con carga eléctrica. Ante esta insistencia, Arthur H. Compton, ahora con la autoridad que le daba tener un Premio Nobel (1927) bajo el brazo, desafió a Millikan al proponerse confirmar si los rayos cósmicos tenían carga eléctrica. La gran dificultad era la presencia de la atmósfera que hace difícil el estudio del rayo cósmico primario. Compton tuvo la idea de escalar el experimento de Skobeltzyn y en vez de imanes usaría el campo magnético creado por la Tierra, el cual se extiende más allá de la atmósfera.

Arthur H. Compton feliz realizando experimentos al aire libre

Arthur H. Compton feliz realizando experimentos al aire libre

La hipótesis de Compton era que si los rayos cósmicos primarios tienen carga eléctrica entonces serían desviados por el campo magnético terrestre, que es más intenso en los polos y más débil en el ecuador. Compton propuso buscar cómo cambia la intensidad de los rayos cósmicos a diferentes latitudes del planeta, para lo que en 1930 organizó una serie de expediciones, decenas de físicos realizaron mediciones alrededor del mundo. El resultado fue el pronosticado por Compton: en los polos la radiación cósmica es mayor que en el ecuador. El físico italiano Bruno Rossi y Compton (de manera independiente) propusieron también la hipótesis de que si los rayos cósmicos poseen carga positiva se observarían más llegando desde el oeste que del este, debido a la influencia del campo magnético terrestre. Compton_TimeEsta asimetría este-oeste fue también observada, confirmando que los rayos cósmicos son partículas de materia con carga eléctrica, principalmente positiva. Los experimentos daban la razón a Compton sobre Millikan, y la revista Time lo celebró con otra portada, esta vez mostrando a un triufante Compton con un detector de rayos cósmicos en sus manos.

Con el reciente desarrollo de la física nuclear, ahora los físicos contaban con una fuente gratuita de radiación de alta energía para sus experimentos. Ya no serían necesarios los arcaicos tubos de vacío o fuentes radiactivas para bombardear muestras con iones y la física de rayos cósmicos dio origen a lo que hoy llamamos física de partículas. El rápido desarrollo, los muchos experimentos y la participación de lumbreras como Millikan y Compton atrajeron a muchos de los grandes experimentales de la época a trabajar en rayos cósmicos. Robert Millikan, quien finalmente aceptó que los rayos cósmicos (como él mismo los había bautizado) eran partículas cargadas y no partículas de luz, siguió con sus estudios así como la formación de nuevas generaciones de científicos. Uno de sus estudiantes de doctorado llamado Carl Anderson se dedicó a estudiar cuidadosamente las propiedades de los rayos cósmicos, en particular su masa y carga eléctrica. En 1930, año en que Wolfgang Pauli propuso el neutrino, Anderson tenía sólo 25 años y encontró, igual que Skobeltsyn años antes, que en un campo magnético rayos cósmicos con una masa similar a la del electrón se curvaban en la dirección opuesta a la esperada, como si fuesen electrones positivos. Sin embargo ante el temor de arruinar su carrera, Anderson prefirió no anunciar lo que parecía una nueva y exótica partícula y siguió estudiando sus propiedades cuidadosamente.

Trayectoria del primer positrón registrada por Anderson 1932.

Trayectoria del primer positrón registrada por Anderson 1932.

En 1932 armado con una cámara de niebla en un campo magnético logró capturar un rayo cósmico con una trayectoria casi idéntica a la de un electrón (es decir con la misma masa) pero que se curvaba en la dirección opuesta, esto es una prueba irrefutable de la existencia de una nueva y exótica partícula similar al electrón pero con carga positiva: el positrón, la primera partícula de antimateria observada en la Tierra. El positrón (a veces llamado anti-electrón) había sido predicho por las matemáticas de Paul Dirac como una consecuencia de combinar la naciente mecánica cuántica con la relatividad especial de Einstein (ver ¿Qué es la antimateria?). En 1936 Victor Hess obtuvo el crédito que tanto merecía al recibir el Premio Nobel por el descubrimiento de los rayos cósmicos junto a Carl Anderson por el descubrimiento del positrón.
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Más tarde en 1936, el mismo Anderson descubrió otra partícula, esta vez similar al electrón pero más masivo al que hoy llamamos muón. Varias nuevas partículas fueron descubiertas estudiando rayos cósmicos, incluyendo los piones (1947), kaones (1949) y otras que preservaron sus nombres como letras griegas: Lambda (1949), Xi (1952) y Sigma (1953). Los muones descubiertos por Anderson pueden observarse con otro montaje que puede realizarse en casa. Hace poco Symmetry Magazine publicó una guía para contruir una cámara de niebla casera que permite ver las estelas dejadas por muones creados por rayos cósmicos. El artículo ha sido traducido en Ciencia Kanija, por lo que no hay excusas para no construir un detector de partículas en casa para ver las trazas de los muones que nos “llueven” continuamente del cielo.

Por otro lado los físicos de partículas contaban con una nueva herramienta inventada por Ernest Lawrence en Berkeley en 1930: el ciclotrón. Aunque su primer acelerador de partículas podía sostenerse en la mano, estos aparatos crecieron rápidamente proporcionando haces de partículas con menos energía que los rayos cósmicos pero en un ambiente mucho más controlado. Lawrence educó a un ejército de físicos y técnicos que llevaron a la física de partículas desde experimentos en una mesa a colosales aceleradores que dieron origen a la Gran Ciencia.

Evolución del ciclotrón

Evolución del ciclotrón

Esto produjo una migración de físicos experimentales a esta nueva disciplina, los rayos cósmicos tenían mayor energía pero su fuente no podía controlarse contrario a los precisos experimentos que podían realizarse con los cada vez más poderosos aceleradores de partículas. En ambas disciplinas, rayos cósmicos y física de partículas, comenzaron a descubrirse más y más nuevas partículas llevando a un zoológico de partículas que comenzó a preocupar a los teóricos que debían explicar las muchas partículas que nadie esperaba.

Algunos entusiastas siguieron estudiando rayos cósmicos, en especial el francés Pierre Auger quien estaba intrigado con la idea de las lluvias de partículas secundarias sugeridas por Millikan. Varios experimentos mostraban que al colisionar con átomos en la atmósfera, nuevas partículas serían creadas las que se desintegrarían rápidamente en otras, generando así una cascada de partículas repartiéndose la energía del rayo cósmico inicial. La física de estas lluvias de partículas resultó bastante compleja y varios de los jóvenes genios de la época como J. F. Carlson, J. Robert Oppenheimer (sí, Oppie), Homi Bhabha, W. Heitler y Hans Bethe desarrollaron las matemáticas necesarias para su estudio teórico y experimental.

Pierre Auger

Pierre Auger

Pierre Auger obtuvo su doctorado en 1926 estudiando el efecto fotoeléctrico y se hizo conocido por descubrir una extraña emisión de electrones en materiales los que hoy se denominan electrones de Auger. Lamentablemente el crédito debería ser para Lise Meitner, quien descubrió el mismo fenómeno años antes; otra injusticia en contra de la gran Meitner, que se suma a su merecido Premio Nobel que nunca recibió a pesar de las 48 nominaciones recibidas por el Comité Nobel.

Estudiando rayos cósmicos, Auger descubrió que dos contadores Geiger separados por unos metros se activaban simultáneamente con el paso de un rayo cósmico. Dado que un único rayo cósmico no podía activar ambos detectores, Auger interpretó esto inicialmente como una simple coincidencia, sin embargo al medir este efecto una y otra vez Auger se dio cuenta que esto no era un fenómeno aislado e imaginó que estos dos rayos cósmicos tenían un origen común. Auger luego imaginó que si un conjunto de varios detectores se distribuyen separados por unos metros la energía medida por cada uno podría después sumarse para reconstruir la energía del rayo cósmico inicial (primario). Para su sorpresa, Auger encontró que detectores separados incluso cientos de metros seguían detectado coincidencias por lo que las lluvias de partículas secundarias debían ser enormes depositando su energía en áreas muy extensas. La idea de Auger capturó la atención de la comunidad científica y siguiendo este principio varios conjuntos de detectores comenzaron a construirse en todo el mundo. Auger no sólo proporcionó un método para reconstruir las reacciones en la atmósfera, también encontró que muchos rayos cósmicos podían llegar a tener energías extremadamente altas, energías que jamás podrían reproducirse en un laboratorio (hasta nuestros días, incluso las colisiones de protones en el LHC parecen de juguete al lado rayos cósmicos ultraenergéticos que colisionan con la atmósfera). Esta energía sería distribuida entre las muchas partículas secundarias, sin embargo aún así muchas de estas partículas cargadas se moverían a velocidades formidables, incluso más rápido que la luz en agua o en el aire. Esto fue un descubrimiento sensacional ya que en 1934 los rusos Pavel Cherenkov, Igor Frank e Ilya Tamm habían demostrado que cuando una partícula cargada se mueve más rápido que la luz en un medio como el agua se emite un tipo especial de luz que permitiría determinar su trayectoria, energía y muchas propiedades que los físicos quieren medir (ver La majestuosa radiación de Cherenkov). De esta forma, combinando las ideas de Auger y Cherenkov, nacieron los conjuntos de decenas de detectores hechos con tanques de agua (llamados Water Cherenkov detectors) distribuidos en grandes areas para medir varias componentes de la lluvia de partículas y reconstruir el rayo cósmico primario.

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representación artística de una lluvia de partículas sobre un conjunto de detectores

En 1952 el conocido productor Frank Capra produjo un entretenido corto para niños sobre la historia de los rayos cósmicos (al menos su primeros 50 años). Narrado en la forma de una historia de misterio la audiencia que cuestiona esta historia de detectives es nada más y nada menos que Edgar Alan Poe, Charles Dikens y Dostoyevsky (en forma de marionetas). El video incluye varias demostraciones, incluyendo una genial escena mostrando la descarga de un electroscopio con un trozo de uranio natural. Aunque está diseñado para niños, me hizo pasar un muy buen rato y gracias a Dostoyevsky las carcajadas están garantizadas (lamentablemente está en inglés, aunque tiene subtítulos).

Los rayos cósmicos constituyen mensajeros cósmicos que nos traen noticias de remotas zonas del universo, su carga eléctrica permitió identificar la mayoría de sus propiedades, sin embargo esto es también un problema. Nuestra galaxia está repleta de complicados campos magnéticos que desvían las trayectorias de los rayos cósmicos, por lo tanto no es posible trazar su fuente original. Sólo los rayos cósmicos de más alta energía (llamados ultraenergéticos o UHECR por su sigla en inglés) son los que menos se ven afectados por estos campos magnéticos galácticos sin embargo los UHECR son muy escasos. Pierre Auger concluyó que la única manera de observar estos escasos UHECR y con ello aspirar a conocer sus fuentes era construyendo un conjunto de detectores abarcando miles de metros cuadrados de superficie, sólo así podría desarrollarse la astronomía de rayos cósmicos. Así aparecieron los observatorios de rayos cósmicos, los que siguiendo la idea de Auger están formados por muchos detectores distribuidos en grandes superficies. Algunos de los más importantes han sido el observatorio Volcano Ranch que funcionó en los años 50 en EEUU, el experimento Haverah Park en el Reino Unido con una superficie de 12 km² que funcionó entre 1967-1987 y el observatorio KASCADE en Alemania (a sólo metros del experimento KATRIN) que ha desarrollado nuevas tecnologías de detección.

kascade

KASCADE en Karlsruhe, Alemania

De histórico interés es un rayo cósmico que activó los detectores operados por la Universidad de Utah en una base militar en medio del desierto. La madrugada del 15 de octubre de 1991, el conjunto de detectores llamado Fly’s Eye observó un rayo cósmico con una energía de 320 exa-electronvoltios, esto es millones de veces más energéticos que los protones que colisionan en el LHC. Este es hasta la fecha el récord de energía observado y hace poco la revista Quanta Magazine le dedicó un excelente artículo: The Particle That Broke a Cosmic Speed Limit.”

En el sigo XXI la física de rayos cósmicos está más vigente que nunca, hoy no sólo se estudian las lluvias de partículas secundarias en varios conjuntos en la superficie, detectores de rayos cósmicos también han sido instalados en satélites e incluso en la Estación Espacial Internacional, como es el caso del moderno experimento AMS-02. Siguiendo la idea de Auger, enormes conjuntos de detectores miden las propiedades de rayos cósmicos en los observatorios YangBaJing en el Tibet (China) y Telescope Array en el desierto de Utah (EEUU). Hace algo más de una década, líderes de este campo se unieron para formar una gran colaboración internacional con el objetivo de construir el más grande observatorio de rayos cósmicos, el que se terminó de construir en 2003 en la pampa argentina. Con 1600 detectores separados 1.5 km, este colosal instrumento cubre una superficie de 3000 km² y fue apropiadamente bautizado como Observatorio Pierre Auger.

Uno de los 1600 detectores del Observatorio Pierre Auger

Uno de los 1600 tanques de agua con detectores del Observatorio Pierre Auger

En sus más de 10 años en funcionamiento ha permitido el estudio de muchas otras propiedades, su composición así como detectado algunos de los más energéticos rayos cósmicos. Este observatorio sigue recolectando datos y sólo hace unos días se ha aprobado una extensión con nuevas tecnologías por lo que habrá Observatorio Pierre Auger al menos hasta el año 2025. El observatorio produjo un excelente video sobre los rayos cósmicos, su importancia y el trabajo que realizan en la pampa argentina llamado Voces del Universo.

En 2011 se celebraron los 100 años del descubrimiento de los rayos cósmicos; llevamos más de un siglo interrogando estas energéticas partículas que bombadean nuestro planeta continuamente sin embargo su origen es todavía un misterio. Claramente nos queda mucho por aprender de estos mensajeros del cosmos imaginados hace más de un siglo por la joven Marie Curie.

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Imágenes: American Physical Society, CERN, NobelPrize.org, KASKADE, Observatorio Pierre Auger.

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Relatividad General cumple 100 años

einsteinEn noviembre de 1915, Albert Einstein presentó una serie de charlas en la Academia Prusiana de Ciencias en Berlín. Un día como hoy, 25 de noviembre, Einstein describió su obra maestra, lo que hoy conocemos como la Teoría de la Relatividad General. Una década después de su annus mirabilis, cuando estableció la relatividad especial, la equivalencia entre masa y energía (con la famosa fórmula E=mc²), además de explicar teóricamente el efecto fotoeléctrico (que le dio el Premio Nobel en 1921) y el movimiento Browniano, Einstein se presentaba ahora como un respetado físico describiendo una de las maravillas del siglo XX.

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