viernes, 23 de junio del 2017 Fecha
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El LHC al Servicio de la Salud

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en La Física y la Salud    ~    Comentarios Comments (1)

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Transferencias tecnológicas del CERN a la Biomedicina

                                                                                                           

                                                                            Partículas y mucho más

Seguramente la mayoría de los lectores de la Revista Española de Física han oído más de una vez hablar del CERN. Fundado en 1954, constituye el mayor laboratorio de física de partículas del mundo, con veinte países miembros y un personal de unas 3.000 personas entre físicos, ingenieros y personal técnico y administrativo de todo tipo. Seguramente están también al tanto de los grandes experimentos que se están preparando en este centro como el Large Hadron Collider (LHC), situado en un túnel circular de 27 km de longitud, destinado a elucidar el origen de la llamada ruptura de la simetría electrodébil y en última instancia el origen de las masas de las partículas elementales (no de la masa del protón o del neutrón como erróneamente se dice a veces en los medios de comunicación), o del proyecto CERN Neutrino Gran Sasso (CNGS), que consiste en enviar un haz de neutrinos de alta energía desde el CERN al laboratorio subterráneo italiano del Gran Sasso que se encuentra a 730 km, para estudiar las oscilaciones de estas huidizas partículas.

También es muy probable que muchos lectores asocien de manera natural la palabra acelerador de partículas  a los instrumentos que utilizan los físicos modernos para estudiar y comprender mejor la estructura y el comportamiento de la materia a pequeñas escalas. Sin embargo, de los 17.000 aceleradores de partículas que se estima existen en la actualidad en todo el mundo, aproximadamente la mitad de ellos se usan en medicina y sólo una parte muy pequeña se usan para investigación fundamental. Por este y otros motivos que se discutirán más adelante, en este número especial de la Revista Española de Física dedicado a la física y las ciencias de la vida, ha parecido conveniente incluir un artículo en el que, al menos brevemente, se describieran algunas de las transferencias tecnológicas (spinoffs) importantes que la actividad del CERN aporta a dichas ciencias.

                Mucho de lo que aquí se descubre, se aplica a nuestra Salud

Es bastante razonable que, como ocurre con las ciencias del espacio, mucha gente se pregunte cuál es la utilidad social de la física de partículas más allá  de la adquisición de conocimientos fundamentales de la naturaleza. Sin embargo, es preciso señalar que los aceleradores y detectores de partículas del CERN y otros laboratorios similares requieren el uso, y muchas veces el desarrollo, de tecnologías de punta que obligan a una estrecha colaboración con la industria  que redunda en beneficio de ambas partes. Las transferencias tecnológicas que se producen en este proceso se incorporan inmediatamente a nuestra vida diaria en áreas tales como la electrónica, procesamiento industrial y médico de imágenes, manejo y usos de la radiación , metrología, nuevos materiales, tecnologías de la computación y la información, tratamiento del cáncer, etc. En este artículo se pondrá el énfasis en aquellas actividades del CERN que han redundado de una forma más clara en beneficio de las ciencias biomédicas.

                 PET/TC o más allá de los rayos X

En el ámbito de la medicina los aceleradores de partículas se utilizan con dos finalidades; una para la formación de imágenes con propósitos diagnósticos y otra, para terapia, principalmente oncológica. Desde el descubrimiento de los rayos X por Röntgen en 1895, este tipo de radiación electromagnética ha proporcionado una información de valor incalculable y aún sigue proporcionándola. Sin embargo, mucho más recientemente, se han desarrollado otras técnicas complementarias de diagnóstico basadas en los llamados radiofármacos. Estas sustancias radiactivas presentan idealmente la propiedad de poder ser inyectadas en el organismo humano de forma segura y de fijarse exclusivamente a determinados tejidos. Posteriormente, a medida que van desintegrándose, emiten ciertas partículas que pueden ser detectadas y analizadas produciendo de esta forma imágenes estáticas o incluso dinámicas de los órganos en los que se depositaron los radiofármacos y, en definitiva, proporcionando información no solamente sobre la morfología de aquellos, sino también, en muchos casos, sobre su función y metabolismo.Los radiofármacos se producen utilizando haces de protones de alta intensidad y, como tienen una vida media muy baja, deben utilizarse cerca de donde se han creado. Se calcula que unos 20 millones de personas son diagnosticadas cada año mediante el uso de este tipo de sustancias.

Son técnicas no invasivas que dejan al descubierto lo que interesa ver y eliminar.

Una de las técnicas de este tipo más utilizada en la actualidad es la Positron Emission Tomography (PET). En su aplicación se utiliza normalmente un ciclotrón para irradiar alguna sustancia que se convierte en radiactiva por desintegración beta positiva (emisora de positrones). Esta sustancia se une por ejemplo a la glucosa y se inyecta al paciente. Los positrones producidos se aniquilan con los electrones circundantes dando lugar a dos fotones de energía muy bien definida, emitidos en direcciones opuestas. Estos fotones interaccionan con un material escintilador dando lugar a la emisión de otros fotones que pueden ser detectados por fotomultiplicadores o fotodiodos para formar la imagen de los tejidos que se pretenden estudiar en función de la distribución de la glucosa radiactiva. Por ejemplo, en el caso del diagnóstico del cáncer las células cancerosas suelen consumir más glucosa que las células sanas debido a su mayor vascularización y a su mayor actividad metabólica y reproductiva, produciendo por tanto una mayor emisión de fotones. Por el contrario, las zonas donde el tejido presente mayor número de células muertas brillarán menos debido a la menor concentración de glucosa radioactiva, lo cual puede ser muy útil para el diagnóstico de infartos y otras lesiones.

         Tecnológias que llegan más allá

De acuerdo con David Townsend, uno de los pioneros en el desarrollo de la tecnología PET, aunque ésta no fue inventada en el CERN, una cantidad esencial e inicial de trabajo desarrollado en el CERN  a partir de 1977 contribuyó de forma significativa al desarrollo del PET 3D. La tecnología PET alcanza su grado más alto de utilidad diagnóstica cuando se combina con la Computed Tomography (CT). La CT es un método de formación de imágenes tridimensionales a partir del procesamiento digital de un gran número de imágenes bidimensionales de rayos X. Inicialmente, las diferentes imágenes se obtenían alrededor de un solo eje de rotación y de ahí su nombre original de Computed Axial Tomography (CAT).

La técnica combinada PET/CT es uno de los desarrollos más excitantes de la medicina nuclear y la radiología modernas. Las reconstrucciones de imágenes CT permiten el diagnóstico precoz de tumores basándose en sus características morfológicas, mientras que la tecnología PET es capaz de diferenciar con grane eficiencia los tejidos malignos de los benignos. La fusión PET/CT permite ahora integrar las imágenes morfológica y fisiológica en una única imagen. El prototipo del scanner ART, el Partial Ring Tomograph (PRT), fue desarrollado en el CERN en 1980 y 1990 por David Townsend, Martín Wensveen y Henri Tochon-Danguy, y evaluado clínicamente en el departamento de medicina nuclear del Hospital Cantonal de Ginebra. ART puede considerarse como el precursor de la parte PET del moderno scanner PET/CT, que ha producido un impacto extraordinario en la tecnología de imágenes con fines médicos. Además, el CERN continua hoy en día contribuyendo a este campo fundamental de la medicina moderna mediante proyectos como Clear PET, Clear PEM, HPD PET etc.

Sin embargo, la importancia del CERN en el desarrollo de las tecnologías PET o CT, y en general de todo tipo de scanner, va mucho más allá. En efecto, todo este tipo de dispositivos se basa, de una forma u otra, en los detectores desarrollados a finales de los  sesenta en el CERN por George Charpak. Su trabajo fue reconocido en 1992 con la concesión del Premio Nobel de Física por su invención y desarrollo de detectores de partículas, en particular de la cámara proporcional multihilos, que produjo una revolución en la técnica de exploración de las partes más íntimas de la materia. Los detectores desarrollados por Charpak se usan aún para todo tipo de investigaciones médicas y biológicas y podrían eventualmente sustituir completamente a las placas fotográficas en la radio-biología aplicada. La velocidad creciente con la que permiten registrar las imágenes en radio medicina conducen a una menor tiempo de exposición y a menores dosis de radiación indeseada recibida por los pacientes.

Hadronterapia, o las partículas contra el cáncer

Como es bien sabido, una de las herramientas terapéuticas esenciales en el campo de la oncología es la radioterapia. Dicho tratamiento se aplica hoy en día aproximadamente a la mitad de los pacientes de cáncer. En cierto modo se puede considerar como una forma sutil de cirugía donde el bisturí es reemplazado por un haz colimado de partículas capaz de esterilizar las células malignas mediante la inactivación de su ADN, impidiendo así su reproducción. Tradicionalmente, la radioterapia se ha basado en el uso de rayos X (fotones), electrones y, más recientemente, hadrones, es decir, partículas capaces de interaccionar fuerte o nuclearmente, si bien no es ésta la propiedad más interesante de estas partículas para las aplicaciones radioterapeúticas. Los haces de rayos X y los electrones se obtienen normalmente a partir de aceleradores lineales como los del CERN, aunque mucho más pequeños, y se apuntan hacia los tumores con la energía, dirección y colimación apropiadas para optimizar su efecto destructivo sobre los mismos. Por su parte, los neutrones pierden energía en el interior del organismo de una forma diferente, lo cual les hace más indicados para el tratamiento de ciertos tipos especiales de tumores. Se obtienen a partir de las colisiones de protones, previamente acelerados en un ciclotrón, con núcleos de berilio. Este hecho hace que esta terapia sea bastante más cara que las anteriores, pero a cambio el ciclotrón puede ser usado también para la producción de radiofármacos.

                                        Cintíficos del CERN aplican antimateria contra el Cáncer

El estudio de las posibilidades de utilización de haces de hadrones en la terapia del cáncer tuvo su origen en el trabajo seminal de R.R Wilson titulado Radiological Use of Fast Protons (Radiology 47, 1946). En dicho artículo se ponía de manifiesto que los protones, así como otras partículas cargadas pesadas, presentan la propiedad única de que al penetrar en el cuerpo humano depositan la mayor parte de su energía a una preofundidad que depende de su energía inicial. Este hecho permite seleccionar cuidadosamente el área que se quiere irradiar, preservando de dicha radiación al tejido sano que pudiera encontrarse a menor profundidad. Además, como las partículas se detienen a una distancia de la superficie bien definida por la energía del haz, tampoco resultarían dañadas las células situadas detrás del blanco seleccionado.

En contraste, la energía depositada por los rayos X alcanza su máximo cerca de la superficie de entrada y decae exponencialmente hasta que abandona el cuerpo humano en el lado opuesto, haciendo por tanto muy difícil seleccionar la zona que quiere irradiarse sin dañar otras áreas de células sanas. El trabajo de Wilson de 1946 condujo a toda una nueva línea de investigación experimental, principalmente en el Lawrence Berkeley Laboratory, que ha dado lugar al desarrollo de una nueva clase de terapias antitumorales basadas en la irradiación con protones y más recientemente con iones de carbono. Estas técnicas han sido aplicadas en más de 40 centros de todo el mundo, y de ellas se han beneficiado hasta la fecha más de 50.000 pacientes. No obstante, continúan investigándose nuevas formas de intentar mejorar el ratio entre la energía depositada en las células tumorales y en el tejido sano.

En la actualidad, el CERN se encuentra involucrado en diversos proyectos relacionados con la hadronterapia. Por ejemplo, en el diseño de un acelerador de protones e iones de carbono dedicado exclusivamente a usos médicos conocido como Proton Ion Medical Machine Study (PIMMS). Otro proyecto interesante es la realización de las pruebas del Linear Booster ( LIBO), capaz de acelerar una haz de protones hasta 200 Mev (los hospitales habiualmente utilizan energías en torno a los 65 MeV) y que estaría especializado en el tartamiento de tumores profundos.

Finalmente, y situándonos en un plano de investigación a un nivel más básico, es interesante señalar que en octubre de 2006 se presentaron los primeros resultados de un experimento llevado a cabo en el CERN con potencial para futuras aplicaciones en la terapia del cáncer. Se trataba del Antiproton Cell Experiment (ACE), que constituye la primera investigación realizada hasta la fecha sobre efectos biológicos de los antiprotones. Los antiprotones se comportan como los protones cuando entran en el organismo, pero generan mucha más energía en el blanco seleccionado debido a du aniquilación con los protones existentes en los núcleos de los átomos de las células, y además depositan esta energía de una forma biológicamente más efectiva.

 Se busca antimateria contra el Cáncer. Los resultados muestran que los antiprotones son cuatro veces más efectivos que los protones para destruir células vivas. (Foto: Especial CERN )

Evaluando la fracción de células supervivientes después de la irradiación con el haz de antiprotones, el experimento ACE ha encontrado que a eficiencia de éstos es unas cuatro veces mayor que la de los protones, mientras que el daño producido a las células situadas antes del blanco era básicamente el mismo. De acuerdo con Michael Holzscheiter, portavoz del experimento ACE, este hecho podría ser extremadamente importante para el tratamiento de casos de cáncer recurrente, donde este tipo de propiedad es vital. La tecnología desarrollada previamente en el CERN para la obtención de haces de antiprotones de buena calidad a la energía apropiada es esencial para este prometedor experimento, que difícilmente podría haberse realizado en ningún otro laboratorio. Éste es por tanto un magnífico ejemplo de cómo la investigación en física de partículas desarrollada en el CERN puede generar soluciones innovadores con excelentes beneficios médicos potenciales.

Los investigadores de ACE, en colaboración con otras instituciones de todo el mundo, están realizando en la actualidad nuevos tests para comprobar la eficacia de este método en el caso de tumores situados a mayor profundidad, y comparando sus resultados con los de otros métodos más convencionales como la irradiación mediante iones de carbono. Si todo sale como se espera, los beneficios clínicos de esta nueva técnica podrían empezar a producirse dentro de la próxima década.

Otro ejemplo importante de tecnología creada en el CERN con aplicaciones a la terapia del cáncer es el Neutron Driven Element Trasmuter. Se trata de un sistema de producción de radioisótopos específicos específicos a partir de un acelerador de protones cuyo desarrollo fue liderado por Carlo Rubbia, Premio Nobel de Física en 1984 por el descubrimiento de los bosones W y Z y ex director general del CERN. La idea es utilizar el haz de protones para producir neutrones los cuales provocan reacciones en un ambiente apropiado donde ciertos elementos son convertidos en los isótopos deseados.

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La diferencia principal entre este método, seguro y barato, y el método más tradicional de utilizar los neutrones provenientes de un reactor nuclear, es que no requiere el uso de material fisionable ni funciona críticamente, es decir las reacciones se detienen en el momento en el que el acelerador es apagado. Más aún, el método tiene la ventaja de que sólo se producen los isótopos requeridos, lo que redunda en una importante reducción de impacto ambiental. Normalmente, el blanco utilizado es plomo, elemento idóneo por presentar el menor ritmo de captura de neutrones. Los neutrones se producen por espalación a partir del haz de protones y permanecen en el interior del blanco de plomo, que está rodeado  de un deflector de grafito, hasta que su espectro se suaviza suficientemente para cubrir un gran rango de energías que permiten su utilización para la transmutación de los elementos necesarios para la obtención de los isótopos deseados.

El Neutron Driven Element Trasmuter ha permitido, entre otras cosas, la producción de radioisótopos beta emisores como el 166Ho, 186 Re o el 188Re que son de gran importancia en braquiterapia. Dicha técnica, muy utilizada en el tratamiento de cánceres ginecológicos y en el de cáncer de próstata, es un tipo de radioterapia de proximidad donde la fuente radiactiva se sitúa dentro o muy cerca de los tejidos que requieren irradiación. Típicamente, la fuente radiactiva, de alta actividad y corta vida media, se encapsula en una semilla, filamento o tubo y se implanta en quirófano en la zona deseada. Las diferentes dosis requeridas en cada caso hacen que sea fundamental disponer del mayor muestrario posible de radioisótopos con la actividad y vida media apropiadas, lo cual convierte al Neutron Driven Element Trasmuter en una herramienta valiosísima para el futuro de este tipo de técnica terapéutica.

                        Información y computación sin fronteras

CERN, … where the web was born; éste es uno de los reclamos publicitarios que suelen utilizarse  para hacer ver al público la importancia de los retornos tecnológicos que en este laboratorio tienen lugar. Y en efecto, fue a finales de los ochenta cuando Tim Berners-Lee desarrolló estándar de Hyper Text Transfer Protocol (HTTP)  e implementó los primeros servidores web en el CERN. Su esfuerzo permitió la comunicación fácil y segura y el intercambio de todo tipo de información entre todos los ordenadores del mundo conectados a internet, dando lugar de esta forma a una de las revoluciones tecnológicas más importantes de las últimas décadas. Las repercusiones científicas, tecnológicas, culturales, comerciales y de ocio de la web son ya tan conocidas que apenas merecen comentario alguno.

El término Grid fue acuñado por Ian Foster and Carl Kesselman en su libro The Grid, Blueprint for new Computing Infraestructure (Morgan Kaufman, 1998), aunque las ideas básicas habían sido consideradas con anterioridad. No existe un acuerdo general sobre cual debería ser la definición precisa de las tecnologías Grid, pero hay un amplio concenso en que esta debería contener elementos tales como recursos compartidos, virtualización, abstracción del acceso a los recursos y estandarización. La filosofía Grid consistería, no sólo en compartir información entre diferentes usuarios, sino también recursos, como por ejemplo, procesadores, tiempo de CPU, unidades de almacenamiento, así como otros aparatos e instrumentos, de tal forma que eventualmente cada usuario tendría acceso virtual, por ejemplo, a la capacidad de cálculo de todos los demás usuarios de esa Grid. En los primeros tiempos de esta tecnología de la información se llegó a hablar de la Grid, refiriéndose a la posibilidad  de existencia de una única World  Wide Grid.

                             Todo surgió del CERN

Hasta el momento,, sin embargo, este concepto no es una realidad y más bien lo que se encuentra es que diferentes grupos de proyectos crean su propia Grid usando sus propias implementaciones, estándares y protocolos y dando acceso restringido solamente a una cierta comunidad de usuarios autorizados. Así, aunque se siguen realizando importantes esfuerzos en cuanto a la estandarización de los protocolos, no está claro cual será el camino que este tipo de tecnología seguirá en el futuro en lo que se refiere a la futura existencia de un única Grid.

En cualquier caso es importante resaltar que una vez más el CERN ha sido pionero en este tipo de tecnología. Los detectores que se están instalando (a estas alturas, todos instalados y en marcha) en el LHC (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, SUSY, etc.), son tan complejos, que han requerido cada uno de ellos el concurso de muchas instituciones de todo el mundo para su construcción, y lo seguirán requiriendo para su mantenimiento cuando el acelerador empiece a funcionar (ya está en marcha), y, como no, para el análisis de los datos que se obtengan. Para hacerse una idea de la dimensión y complejidad de estos análisis baste mencionar que el compact Muon Selenoid (CMS), una vez pasado su primer filtro, deberá almacenar información sobre el resultado de las colisiones producidas en su interior a un ritmo del orden de 100 a 200 MB por segundo durante un tiempo esperado de unos cien días por año. Resulta obvio que sólo una tecnología tipo Grid puede afrontar con posibilidades de éxito un reto semejante y de hecho el CERN ha inspirado varios proyectos Grid multinacionales por este motivo. Posiblemente, el más grande de ellos hasta la fecha sea el EGEE (Enablinbg Grids for E-Science), que conecta más de 150 paises y ofrece 20 000 CPUs y más de 10 Petabytes de memoria.

De manera análoga a como ocurrió con las tecnologías de la detección y aceleración, las tecnologías Grid tendrán, y de hecho ya empiezan a tener, un fuerte impacto en las ciencias de la vida y de la salud. En este sentido, uno de los campos obvios de aplicación es la bioinformática. Gracias a los espectaculares avances llevados a cabo en los últimos años en el campo de la biología molecular, se dispone hoy en día de cantidades crecientes de información genética de diferentes especies e individuos. Dicha información codificada en el ADN en forma de secuencia de tripletes o codones de ácidos nucleicos, que constituyen los genes que contienen la estructura primaria de las diferentes proteínas, ha sido y está siendo obtenida por centenares de grupos diferentes distribuidos por todo el mundo y debe almacenarse en gigantescas bases de datos de forma eficiente para su compartición, contrastación y análisis.

Ejemplos típicos serían la búsqueda de determinadas secuencias, comparaciones, búsqueda de determinadas mutaciones o alelos, etc. Resulta evidente que esta ingente labor puede verse enormemente beneficiada por el uso de tecnologías Grid. De hecho, la Bioinformática, y en particular sus aplicaciones biomédicas, han sido una parte importante del proyecto EGEE desde el comienzo del mismo.

Finalmente, y como última muestra de cómo puede revertir en la sociedad las tecnologías de la información y la computación provenientes de la física de partículas, es interesante mencionar el Proyecto Mammogrid y su continuación Mammogrid Plus. Liderado por el CERN, dicho proyecto de la UE utiliza la tecnología Grid para crear una base de datos de mamografías que pueda ser usada para investigar un gran conjunto de datos e imágenes que, aparte de otras aplicaciones sanitarias, sea útil para estudiar el potencial de esta tecnología para servir de soporte a la colaboración entre los profesionales de la salud de la  UE.

      Ciencia, Tecnología y Sociedad

A estas alturas debería haber quedado claro que los centros científicos de élite internacionales como el CERN, no sólo nos proporcionan un conocimiento más profundo de la naturaleza, sino que las tecnologías de punta que en ellos se desarrollan acaban permeando a la Sociedad y se incorporan a nuestras vidas cotidianas. El autor del artículo, Antonio Dobado, del Departamento de Física Teórica I de la Universidad Complutense de Madrid, ha pretendido ilustrar el hecho innegable de la conexión existente entre temas tan aparentemente dispares como el de la Física de Partículas y la Biomedicina, pero ejemplos semejantes podrían haberse encontrado en prácticamente cualquier área de la actividad humana.

La Sociedad no puede permanecer por más tiempo ajena a la Ciencia y a todo lo que trae consigo. Precisamente por eso la RSEF dedica un gran esfuerzo a la difícil tarea de convencer al público de la importancia de la Física como valor científico, cultural y social, como una forma rigurosa y profunda del acercamiento al conocimiento de la naturaleza, y a la vez como generadora de nuevas tecnologías. En este sentido, es una espléndida noticia la inminente creación de un nuevo Grupo especializado en el seno de la RSEF denominado Física Médica. Y, desde aquí, aprovechamos la oportunidad para darles la bienvenida y desearles el mayor éxito en sus futuras andaduras en la búsqueda de la verdad científica.

Fuente: Revista Española de FÍSICA.

Los del LHC quieren encontrar partículas de la “Materia...

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El CERN    ~    Comentarios Comments (2)

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Hace unos días, cerca de Cessy (Francia), una mujer paseaba con su perro ajena a lo que se cocía bajo sus pies. Era un entorno idílico. Campos verdes con nieve en las umbrías, granjas de vacas y los Alpes recortados en el horizonte. Mientras, a 100 metros bajo tierra, cientos de operarios, ingenieros y físicos hacían los últimos ajustes para encender la mayor máquina del mundo, capaz de reproducir lo que pasó en el universo poco después del Big Bang.

                                        Vista lateral del experimento CMS, uno de los mayores del CERN

El Gran Colisionador de Hadrones, o LHC, en la frontera entre Francia y Suiza, intenta localizar partículas de la “materia oscura”. Entre sus muchos logros aún está en la memoria de todos el famoso Bosón que según nos dicen da masa a las partículas. En esa ocasión ya se consiguió todo un récord mundial con el descubrimiento del bosón de Higgs. Lo que deparará esta segunda etapa, que durará hasta 2018, no lo sabe nadie. Tras un tiempo de reparación y acondicionamiento el acelerador se puso a funcionar al doble de potencia y cruzará una frontera de la física nunca antes traspasada. ¡Veremos que nos encontramos! Incluso podría ser alguna sorepresa ¿desagradable? Bueno, si las cosas se hacen bien, no tiene por que producirse ningún acontecimiento negativo (aunque hace unos días el LHC “fue atacado” y se paralizaron los trabajos, ¡una ardilla tuvo la osadía de introducirse en la máquina!

Imagen relacionada

El Large Hadron Collider (LHC) hace tres años nos sorprendía con la confirmación de la existencia del bosón de Higgs, Después de aquello volvió a tener una parada para revisiones hasta que de nuevo, los protones volvieron a circular por este túnel de 27 kilómetros de longitud, preparados para ofrecernos nuevos hallazgos científicos. Bueno, eso dicen los del LHC que se empeñan en buscar partículas de materia oscura que llaman WIMPs, cuando no sa sabe ni si la “materia oscura” existe en realidad. Es toda una paradoja el que una maquinaria tan enormemente grande que dispone de tan descomunal energía, se disponga a realizar experimentos en busca de la “nada”, ya que, lo cierto es que no saben ni si encontraran alguna cosa.

      Nuevos detectores nos darán mucha más información

El último parón ha servido para que los ingenieros a cargo del CERN hayan realizado importantes mejoras en esta estructura, y la nueva puesta en funcionamiento con el doble de la energía de lo que lo había hecho en el pasado ciclo de experimentos, seguramente, dará alguna sorpresa.A mí me gustaría que los resultados nos dijeran si existe algo más allá de los Quarks.

Primeras colisiones a 13 TeV en el experimento CMS. / CERN</p>
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<p style=Los protones son inyectados en ese particular circuito, al principio a una energía relativamente pequeña, pero poco a poco la van aumentando hasta alcanzar los 13 teraelectronvoltios (TeV). Al incrementar el número de protones aumentará el número de colisiones y la temperatura, y a finales de Abril de 2.016 se alcanzó su pico de energía de las partículas que circulen en el interior del LHC. Ahora a esperar resultados. Son muchos los datos que han quedado para su análisis.

El descubrimiento del bosón de Higgs fue crucial para “completar” la formulación del modelo estándar de la física de partículas, pero dicha teoría está aún incompleta, y otra teoría llamada supersimetría sugiere que hay una partícula aún no descubierta que acompaña a cada una de las existentes en el modelo estándar. Estas son algunas de las partículas que los científicos esperan detectar en la nueva ronda de experimentos, y sobre todas ellas destaca la “partícula de materia oscura, que según los físicos constituye el 26% del universo.

Datos de mayo de 2004. La zona verde representa el resultado del experimento DAMA, en comparación con los límites de precisión de los experimentos CDMS y EDELWEISS. Desde entonces, as mejoras en los resultados han sido significativas.

“El CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), situado en la mina Soudan (MinnesotaEstados Unidos), utiliza una técnica basada en el almacenamiento de cristales de germanio y silicio a una temperatura muy fría. Los cristales, que tienen un tamaño similar al de un disco de hockey, son enfriados a la temperatura de 50 milikelvin (0,05 K). Esta temperatura tan cercana al cero absoluto hace que los átomos del cristal vibren muy lentamente, por lo que, si cualquier WIMP impactara contra un átomo del cristal, se produciría una onda de sonido, pues el átomo que recibe el impacto desplaza en su vibración a los átomos de su alrededor, tarea de la que se encarga una capa de metal (aluminio y tungsteno). Este tungsteno se encuentra a una temperatura crítica, por lo que ejerce de superconductor, y las vibraciones que se generan en el cristal calientan la capa de metal, que se detecta a través del cambio en la resistencia del mismo.”

Sí los WIMPS han sido buscados por muchos y de muchas maneras pero, sin encontrarlos hasta el momento, y, en ello, está empeñado el LHC que cuenta con más potencia que otros experimentos.

Si los WIMPs, finalmente resultan ser las partículas responsables de la “materia oscura” no bariónica ( si es que realmente existen), deberían tener propiedades muy concretas al hacer “imposible” o “dificil” que no podamos verlos a pesar de que conforma una gran parte de la masa del Universo, no interacciona mediante la fuerza electromagnética, lo que nos lleva a pensar que son neutras y, sin embargo, sí parece que emitan fuerza gravitatoria… ¡Es todo tan raro!

Dibujo20150417 dark matter - gas temperature - illustris project - dark matter particle mass - marco cirelli - neutel 2015

En física, el consenso científico es que la materia oscura existe con una certeza del 100% (Bueno, yo no entro en ese 100 x 100 y soy muy exceptico en cuanto a la existencia de esa materia oscura a la que se agarran los cosmólogos como el ahogado a un clavo ardiendo, ya que, de otra manera no sabrían explicar por qué las galaxias se alejan unas de otras a tanta velocidad y lo mismo las estrellas en las galaxias, y, la explicación más fácil para ellos… ¡la materia oscura!. Sabemos que interacciona muy poco con la materia ordinaria, por ello detectarla es extremadamente difícil, pero la están buscando con ahínco y tesón en un rango de 90 órdenes de magnitud. Has leído bien, buscamos una partícula con una masa entre los yoctogramos y los yottagramos. La han descartado en muchos lugares, pero hay muchos otros en los que aún podría esconderse.

Uno de los grandes objetivos del LHC Run 2 es buscar una partícula candidata a la materia oscura si es que hay alguna que esté a su alcance. No sabemos si está a su alcance. Pero no perdemos la esperanza de que la encuentre. (Dicen algunos físicos del LHC).

Dibujo20150417 spin-independent - wimp-nucleon scattering - evolution in time - Snowmass CF1 Summary WIMP

 

“La materia oscura es un corpúsculo (si es macroscópico) o una partícula (si es microscópica) neutro (para la carga eléctrica y para la carga de color), que tiene una vida media muy larga y que interacciona débilmente con la materia ordinaria, quizás sólo gracias al bosón de Higgs. Uno de los objetivos del LHC Run 2 es explorar la búsqueda de una partícula de materia oscura en un pequeño rango de energías (la escala débil entre cientos y miles de GeV). Nos gusta creer que hay muchas razones físicas por las cuales debería esconderse en dicha escala. Pero la Naturaleza es sutil, aunque no perversa. Igual que el borracho que ha perdido sus llaves al entrar en casa de noche las busca debajo de la farola, donde hay luz, aunque esté a unos metros de distancia, buscamos la partícula donde podemos hacerlo. Y nuestra esperanza es encontrarla, pero si no la encontramos allí, como somos tercos, seguiremos buscándola.”

 

 

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Aun no sabemos si, en realidad, existe la materia oscura. Pero buscamos las hipotéticas partículas de las que pudiera estar constituida.

 

Como veréis, estos hablan de las partículas y de la materia oscura como si fueran objetos familiares con los que estamos a diario interaccionando, cuando en realidad, todo son hipótesis y creencias asentadas a través de indicios y conexiones “lógico-mentales” que no sabemos, aún, si van en la buena dirección.

¡Ya veremos que pasa! Me gustaría que acertaran y aparecieran los dichos WIMPs, confirmando todas esas teorías, así podríamos comenzar la búsqueda de otras partículas que, como el Gravitón, están por ahí perdidas y tampoco podemos encontrarla.

emilio silvera

¿La teoría cuántica y la Gravedad, dentro de las cuerdas

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en La Teoría de Cuerdas    ~    Comentarios Comments (0)

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                        Sí, a veces la Física, parece un Carnaval. Imaginamos universos que… ¿Serán posibles?

Las teorías de cuerdas [TC's] no son una invención nueva, ni mucho menos. La primera TC se inventó a finales de los años sesenta del siglo XX en un intento para encontrar una teoría para describir la interacción fuerte. La idea medular consistía en que partículas como el protón y el neutrón podían ser consideradas como ondas de «notas de una cuerda de violín». La interacción fuerte entre las partículas correspondería a fragmentos de cuerda que se extenderían entre pequeños pedacitos de cuerda, como las telas que forman algunos simpáticos insectos. Para que esta teoría proporcionase el valor observado para la interacción fuerte entre partículas, las cuerdas tendrían que ser semejantes a las de un violín, pero con una tensión de alrededor de unas diez toneladas.

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La primera expresión de las TC’s fue desarrollada por Jöel Scherk, de París, y John Schwuarz, del Instituto de Tecnología de California, quienes en el año 1974 publicaron un artículo en el que demostraban que la TC podía describir la fuerza gravitatoria, pero sólo si la tensión en la cuerda se tensiometrara alrededor de un trillón de toneladas métricas. Las predicciones de la teoría de cuerdas serían las mismas que las de la relatividad general a escala de longitudes normales, pero diferirían a distancias muy pequeñas, menores que una trillonésima de un cm. Claro está, que en esos años, no recibieron mucha atención por su trabajo.

Ahora se buscan indicios de la teoría de cuerdas en los grandes aceleradores de partículas donde parece que algunos indicios nos dicen que se va por el buen camino, sin embargo, nuestros aceleradores más potentes necesitarían multiplicar por un número muy elevado su potencia para poder, comprobar la existencia de las cuerda situadas a una distancia de 10-35 m, lugar al que nos será imposible llegar en muchas generaciones. Sin embargo, en las pruebas que podemos llevar a cabo en la actualidad, aparecen indicios de una partlicula de espín 2 que todos asocian con el esquivo Gravitón, y, tal indicio, nos lleva a pensar que, en la teoría de supercuerdad, está implícita una Teoría Cuántica de la Gravedad.

Los motivos que tuvo la comunidad científica, entonces, para no brindarle la suficiente atención al trabajo de Scherk y Schwuarz, es que, en esos años, se consideraba más viable para describir a la interacción fuerte a la teoría basada en los quarks y los gluones, que parecía ajustarse mucho mejor a las observaciones. Desafortunadamente, Scherk murió en circunstancias trágicas (padecía diabetes y sufrió un coma mientras se encontraba solo en su estudio). Así, Schwuarz se quedó solo, en la defensa de la teoría de cuerdas, pero ahora con un valor tensiométrico de las cuerdas mucho más elevado.

Pero con los quarksgluones y también los leptones, en la consecución que se buscaba, los físicos entraron en un cuello de botella. Los quarks resultaron muy numerosos y los leptones mantuvieron su número e independencia existencial, con lo cual seguimos con un número sustancialmente alto de partículas elementales (60), lo que hace que la pregunta ¿son estos los objetos más básicos?

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Si esos sesenta objetos fuesen los más básicos, entonces también aflora otra pregunta ¿por qué son como son y por qué son tantos? Los físicos quisieran poder decir «salen de esto», o «salen de esto y aquello», mencionar dos principios bien fundamentales y ojalá tan simples que puedan ser explicados a un niño. La respuesta «porque Dios lo quiso así» posiblemente a muchos les cause «lipotimia»,  ya que esa respuesta nos lleva a reconocer nuestra ignorancia y, además, la respuesta que esperamos no pertenece al ámbito de la religión. Por ahora, ¿cuál es la última que puede dar la ciencia?

El cuello de botella incentivó a que se encendiera una luz de esperanza. En 1984 el interés por las cuerdas resucitó de repente. Se desempolvaron las ideas de Kaluza y Klein, como las que estaban inconclusas de Scherk y Schwuarz. Hasta entonces, no se habían hecho progresos sustanciales para explicar los tipos de partículas elementales que observamos, ni tampoco se había logrado establecer que la supergravedad era finita.

El ser humano –en función de su naturaleza– cuando se imagina algo muy pequeño, piensa en un puntito de forma esférica. Los físicos también son seres de este planeta y, para ellos, las partículas elementales son como puntitos en el espacio, puntos matemáticos, sin extensión. Son sesenta misteriosos puntos y la teoría que los describe es una teoría de puntos matemáticos. La idea que sugieren las TC’s es remplazar esos puntos por objetos extensos, pero no como esferitas sino más bien como cuerdas. Mientras los puntos no tienen forma ni estructura, las cuerdas tienen longitud y forma, extremos libres como una coma “,” (cuerda abierta), o cerradas sobre sí misma como un circulito. Si el punto es como una esferita inerte de la punta de un elastiquito, la cuerda es el elástico estirado y con él se pueden hacer círculos y toda clase de figuras. Está lleno de posibilidades.

Muchas son las imágenes que se han elaborado para representar las cuerdas y, como nadie ha visto nunca ninguna, cualquiera de ellas vale para el objetivo de una simple explicación y, las cuerdas que se han imaginado han tomado las más pintorescas conformaciones para que, en cada caso, se adapten al modelo que se expone.

diferencia entre un punto y una coma. Según la teoría de cuerdas importa, y mucho. Por su extensión, a diferencia del punto, la cuerda puede vibrar. Y hacerlo de muchas maneras, cada modo de vibración representando una partícula diferente. Así, una misma cuerda puede dar origen al electrón, al fotón, al gravitón, al neutrino y a todas las demás partículas, según cómo vibre. Por ello, la hemos comparado con la cuerda de un violín, o de una guitarra, si se quiere.

Al dividir la cuerda en dos, tres, cuatro, cinco, o más partes iguales, se generan las notas de la escala musical que conocemos, o técnicamente, los armónicos de la cuerda. En general, el sonido de una cuerda de guitarra o de piano es una mezcla de armónicos. Según la mezcla, la calidad (timbre) del sonido. Si distinguimos el tono de estos instrumentos, es por la «receta» de la mezcla en cada caso, por las diferentes proporciones con que cada armónico entra en el sonido producido. Pero, también es posible hacer que una buena cuerda vibre en uno de esos armónicos en particular, para lo cual hay que tocarla con mucho cuidado. Los concertistas lo saben, y en algunas obras como los conciertos para violín y orquesta, usan este recurso de «armónicos». Así, la naturaleza, con su gran sabiduría y cuidado para hacer las cosas, produciría electronesfotonesgravitones, haciendo vibrar su materia más elemental, esa única y versátil cuerda, en las diversas (infinitas) formas que la cuerda permite.

Una partícula ocupa un punto del espacio en todo momento. Así, su historia puede representarse mediante una línea en el espaciotiempo que se le conoce como «línea del mundo». Por su parte, una cuerda ocupa una línea en el espacio, en cada instante de tiempo. Por tanto, su historia en el espaciotiempo es una superficie bidimensional llamada la «hoja del mundo». Cualquier punto en una hoja del mundo puede ser descrito mediante dos números: uno especificando el tiempo y el otro la posición del punto sobre la cuerda. Por otra parte, la hoja del mundo es una cuerda abierta como una cinta; sus bordes representan los caminos a través del espaciotiempo (flecha roja) de los extremos o comas de la cuerda (figura 12.05.03.02). La hoja del mundo de una cuerda cerrada es un cilindro o tubo (figura 12.05.03.03); una rebanada transversal del tubo es un círculo, que representa la posición de la cuerda en un momento del tiempo.

No cabe duda que, de ser ciertas las TC’s, el cuello de botella queda bastante simplificado. Pasar de sesenta objetos elementales a una sola coma o circulito es un progreso notable. Entonces, ¿por qué seguir hablando de electronesfotonesquarks, y las demás?

Que aparentemente las cosas se simplifican con las TC’s, no hay duda, pero desafortunadamente en física las cosas no siempre son como parecen. Para que una teoría sea adoptada como la mejor, debe pasar varias pruebas. No basta con que simplifique los esquemas y sea bella. La teoría de las cuerdas está –se puede decir– en pañales y ha venido mostrado distintas facetas permeables. Surgen problemas, y se la deja de lado; se solucionan los problemas y una avalancha de trabajos resucitan la esperanza. En sus menos de treinta años de vida, este vaivén ha ocurrido más de una vez.

Uno de los problemas que más afecta a la cuerda está ligado con su diminuto tamaño. Mientras más pequeño algo, más difícil de ver. Es una situación que se agudiza en la medida que se han ido corrigiendo sus permeabilidades. En sus versiones más recientes, que se llaman supercuerdas, son tan superpequeñas que las esperanzas de ubicarlas a través de un experimento son muy remotas. Sin experimentos no podemos comprobar sus predicciones ni saber si son correctas o no. Exagerando, es como una teoría que afirmara que los angelitos del cielo tienen alitas. ¿Quién la consideraría seriamente?

La propia base conceptual de la teoría comporta problemas. Uno de ellos, es el gran número de dimensiones que se usan para formularla. En algunos casos se habla de 26 o, en el mejor, de 10 dimensiones para una cuerdita: espacio (son 3), tiempo (1) y otras seis (o 22) más, que parecen estar enroscadas e invisibles para nosotros. Por qué aparecieron estas dimensiones adicionales a las cuatro que nos son familiares y por qué se atrofiaron en algún momento, no lo sabemos. También, la teoría tiene decenas de miles de alternativas aparentemente posibles que no sabemos si son reales, si corresponden a miles de posibles universos distintos, o si sólo hay una realmente posible. Algunas de estas versiones predicen la existencia de 496 fuerzones, partículas como el fotón, que transmiten la fuerza entre 16 diferentes tipos de carga como la carga eléctrica. Afirmaciones como éstas, no comprobables por la imposibilidad de hacer experimentos, plagan la teoría de cuerdas. Quienes alguna vez intentaron trabajar matemáticamente en las cuerdas, muchas veces deben haber pensado de que lo que estaban calculando más se asemejaba a juegos de ejercicios que la consecución de una base matemática teórica tras objetivo de dar un paso trascendental en el conocimiento de la naturaleza. Ahora, los que tienen puesta su fe en ella suelen afirmar que se trata de una teoría que se desfasó de la natural evolución de la física, que su hallazgo fue un accidente, y no existe aún el desarrollo matemático para formularla adecuadamente.

En las teorías de cuerdas, lo que anteriormente se consideraba partículas, se describe ahora como ondas viajando por las cuerdas, como las notas musicales que emiten las cuerdas vibrantes de un violín. La emisión o absorción de una partícula por otra corresponde a la división o reunión de cuerdas.

La Teoría de cuerdas trata de incorparar la Gravedad a las otras tres fuerzas y completar así el panorama actual de la Física de Partículas en el Modelo Estándar en el que sólo están incluídas estas tres interacciones de arriba, la Gravedad queda fuera por surgir infinitos no renormalizables que, desaparecen en la Teoría de súpercuerdas de 26 dimensdiones de espacio tiempo para los Bosones y de 10 y 11 dimensiones de espacio tiempo para los Ferniones.

El trabajo que aquí hemos leido lo he obtenido de fuentes diversas y, como tantos otros, nos dice más o menos lo que todos. La realidad de la Teoría de súpercuerdas está en que no podemos llegar a ese límite necesario de los 10-35 m, donde supuestamente, está instalada la cuerda, y, como llegar a esa distancia nos exige una energía de 1019 GeV con la que no podemos ni soñar. Seguirán, por mucho tiempo, las especulaciones y cada cual, tendrá su idea, su propia teoría, toda vez que, ninguna de ellas podrá ser verificadas y mientras eso sea así (que lo es), todas las teorías tendrán la posibilidad de ser refrendadas…algún día.

  • ¿Dónde estarán las respuestas?

Sin embargo, una cosa es cierta, es la única teoría, la de supercuerdas, que nos da cierta garantía de que vamos por el buen camino, en su desarrollo aparecen indicios confirmados por los experimentos, como por ejemplo, la aparici´çon de una partícula de espín 2, el Gravitón que nos lleva a pensar que, en la teoría de supercuerdas está integrada una teoría Cuántica de la Gravedad que nos, podrá llevar, hasta esos primeros momentos del Big Bang que ahora quedan tan oscuros a la vista de los observadores y, de la misma manera, nos dejará entrar en la Singularidad de un Agujero Negro para poder ver (al fin) lo que allí pueda haber, qué clase de partículas o de materia se ha podido formar en un material tan extremadamente denso como el de la singularidad.

Habrá que tener paciencia con la Teoría de cuerdas y con el hallazgo tan esperado del Gravitón que nos confirmará, al fín, que la Gravedad como las demás interacciones, también está cuantizada y tiene su Bosón transmisor. De lo que no acabo de estar seguro es…del hecho en sí, de que podamos univer la Gravedad con la cuántica…¡son tan dispares! y habitan en reinos tan diferentes.

emilio silvera

Nota: Toda la Teoría sobre las cuerdas vibrantes es muy valiosa y señala algunos caminos que podrían ser. Sin embargo, falta verificar todo lo que ahí se postula, y, quizás, cuando tengamos aceleradores de partículas más potentes podamos conseguir ese magnifico triunfo, mientras tanto, mejor llamarla la Hipótesis de Cuerdas.

Dos verdades incompatibles

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Trabajo presentado en la XIX Edición del Carnaval de la Física

El mundo de la Física tiene planteado un gran problema y los físicos son muy conscientes de ello, conocen su existencia desde hace décadas. El problema es el siguiente:

La realtividad general nos dice que en presencia de masa, se curva el espacio y se distorsiona el Tiempo

Existen dos pilares fundamentales en los cuales se apoya toda la física moderna. Uno es la relatividad general de Albert Einstein, que nos proporciona el marco teórico para la comprensión del universo a una escala máxima: estrellas, galaxias, cúmulos (o clusters) de galaxias, y aún más allá, hasta la inmensa expansión del propio universo.

Partículas y campos, clásicos y cuánticos. Las nociones clásicas de partícula y campo comparadas con su contrapartida cuántica. Una partícula cuántica está deslocalizada: su posición se reparte en una distribución de probabilidad. Un campo cuántico es equivalente a un colectivo de partículas cuánticas.

El otro pilar es la mecánica cuántica, que en un primer momento vislumbro Max Planck y posteriormente fue desarrollada por W. Heisemberg, Schrödinger, el mismo Einstein, Dirac, Niels Bohr y otros, que nos ofrece un marco teórico para comprender el universo en su escala mínima: moléculas, átomos, y así hasta las partículas subatómicas, como los electrones y quarks.

Durante años de investigación, los físicos han confirmado experimentalmente, con una exactitud casi inimaginable, la practica totalidad de las predicciones que hacen las dos teorías. Sin embargo, estos mismos instrumentos teóricos nos llevan a una conclusión inquietante: tal como se formulan actualmente, la relatividad general y la mecánica cuántica no pueden ser ambas ciertas a la vez.

Nos encontramos con que las dos teorías en las que se basan los enormes avances realizados por la física durante el último siglo (avances que han explicado la expansión de los cielos y la estructura fundamental de la materia) son mutuamente incompatibles. Cuando se juntan ambas teorías, aunque la formulación propuesta parezca lógica, aquello explota; la respuesta es un sinsentido que nos arroja un sin fin de infinitos a la cara.

Así que si tú, lector, no has oído nunca previamente hablar de este feroz antagonismo, te puedes preguntar a que  será debido. No es tan difícil encontrar la respuesta. Salvo en algunos casos muy especiales, los físicos estudian cosas que son o bien pequeñas y ligeras (como los átomos y sus partes constituyentes), o cosas que son enormes y pesadas (como estrellas de neutrones y agujeros negros), pero no ambas al mismo tiempo. Esto significa que sólo necesitan utilizar la mecánica cuántica, o la relatividad general, y pueden minimizar el problema que se crea cuando las acercan demasiado; las dos teorías no pueden estar juntas. Durante más de medio siglo, este planteamiento no ha sido tan feliz como la ignorancia, pero ha estado muy cerca de serlo.

“… de Estados Unidos (NASA,  registraron las ráfagas de viento más rápidas nunca antes detectadas alrededor de un agujero negro.”

No obstante, el universo puede ser un caso extremo. En las profundidades centrales de un agujero negro se aplasta una descomunal masa hasta reducirse a un tamaño minúsculo. En el momento del Bing Bang, la totalidad del universo salió de la explosión de una bolita microscópica cuyo tamaño hace que un grano de arena parezca gigantesco. Estos contextos son diminutos y, sin embargo, tienen una masa increíblemente grande, por lo que necesitan basarse tanto en la mecánica cuántica como en la relatividad general.

Por ciertas razones, las fórmulas de la relatividad general y las de la mecánica cuántica, cuando se combinan, empiezan a agitarse, a traquetear y a tener escapes de vapor como el motor de un viejo automóvil. O dicho de manera menos figurativa, hay en la física preguntas muy bien planteadas que ocasionan esas respuestas sin sentido, a que me referí antes, a partir de la desafortunada amalgama de las ecuaciones de las dos teorías.

Aunque se desee mantener el profundo interior de un agujero negro y el surgimiento inicial del universo envueltos en el misterio, no se puede evitar sentir que la hostilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general está clamando por un nivel más profundo de comprensión.

¿Puede ser creíble que para conocer el universo en su conjunto tengamos que dividirlo en dos y conocer cada parte por separado? Las cosas grandes una ley, las cosas pequeñas otra.

 Resultado de imagen de efecto fotoelectrico einstein

Einstein que con sus trabajos (algunos maravillosos), como el Efecto Fotoeléctrico que le valió el Nóbel, fue uno de los padres de la Mecánica cuántica y, sin embargo, pasó gran parte de su vida combatiéndola, a él no le entraba en la cabeza que aquella teoría de lo muy pequeño, fuese incompatible con la suya de la Relatividad General. Aquellos dons “mundos” de lo muy grande y lo muy pequeño aparecían incompatibles y, cuando los físicos trataban de unirlos, aunque el planteamiento fuese racional y muy bien conformado, el resultado era como una gran explosión de indinitos sin sentido… ¿Por qué sería?

No creo que eso pueda ser así. Mi opinión es que aún no hemos encontrado la llave que abre la puerta de una teoría cuántica de la gravedad, es decir, una teoría que unifique de una vez por todas las dos teorías más importantes de la física: mecánica cuántica + relatividad general.

El objeto más luminoso del Universo local

Allí, en esa lejana región donde dicen que están las cuerdas vibrantes de la Teoría M, según nos dicen, subyace esa teoría cuántica de la Gravedad, toda vez que, ambas teorías, la de Einstein y la de Planck, la de lo muy grande y lo muy pequeño, conviven sin problemas y, no sólo no se rechazan sino que, se complementan en un todo armonioso.

Si es así, la teoría de supercuerdas ha venido a darme la razón. Los intensos trabajos de investigación llevada a cabo durante los últimos 20 años demuestran que puede ser posible la unificación de las dos teorías cuántica y relativista a través de nuevas y profundas matemáticas topológicas que han tomado la dirección de nuevos planteamientos más avanzados y modernos, que pueden explicar la materia en su nivel básico para resolver la tensión existente entre las dos teorías.

En esta nueva teoría de supercuerdas se trabaja en 10, 11 ó en 26 dimensiones, se amplía el espacio ahora muy reducido y se consigue con ello, no sólo el hecho de que la mecánica cuántica y la relatividad general no se rechacen, sino que por el contrario, se necesitan la una a la otra para que esta nueva teoría tenga sentido. Según la teoría de supercuerdas, el matrimonio de las leyes de lo muy grande y las leyes de lo muy pequeño no sólo es feliz, sino inevitable.

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Esto es sólo una parte de las buenas noticias, porque además, la teoría de las supercuerdas (abreviando teoría de cuerdas) hace que esta unión avance dando un paso de gigante. Durante 30 años, Einstein se dedicó por entero a buscar esta teoría de unificación de las dos teorías, no lo consiguió y murió en el empeño; la explicación de su fracaso reside en que en aquel tiempo, las matemáticas de la teoría de supercuerdas eran aún desconocidas.  Sin embargo, hay una curiosa coincidencia en todo esto, me explico:

Cuando los físicos trabajan con las matemáticas de la nueva teoría de supercuerdasEinstein, sin que nadie le llame, allí aparece y se hace presente por medio de las ecuaciones de campo de la relatividad general que, como por arte de magia, surgen de la nada y se hacen presentes en la nueva teoría que todo lo unifica y también todo lo explica; posee el poder demostrar que todos los sorprendentes sucesos que se producen en nuestro universo (desde la frenética danza de una partícula subatómica que se llama quark hasta el majestuoso baile de las galaxias o de las estrellas binarias bailando un valls, la bola de fuego del Big Bang y los agujeros negros) todo está comprendido dentro de un gran principio físico en una ecuación magistral.

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Esta nueva teoría requiere conceptos nuevos y matemáticas muy avanzados y nos exige cambiar nuestra manera actual de entender el espacio, el tiempo y la materia. Llevará cierto tiempo adaptarse a ella hasta instalarnos en un nivel en el que resulte cómodo su manejo y su entendimiento. No obstante, vista en su propio contexto, la teoría de cuerdas emerge como un producto impresionante pero natural, a partir de los descubrimientos revolucionarios que se han realizado en la física del último siglo. De hecho, gracias a esta nueva y magnifica teoría, veremos que el conflicto a que antes me refería existente entre la mecánica cuántica y la relatividad general no es realmente el primero, sino el tercero de una serie de conflictos decisivos con los que se tuvieron que enfrentar los científicos durante el siglo pasado, y que fueron resueltos como consecuencia de una revisión radical de nuestra manera de entender el universo.

El primero de estos conceptos conflictivos, que ya se había detectado nada menos que a finales del siglo XIX, está referido a las desconcertantes propiedades del movimiento de la luz.

Isaac Newton y sus leyes del movimiento nos decía que si alguien pudiera correr a una velocidad suficientemente rápida podría emparejarse con un rayo de luz que se esté emitiendo, y las leyes del electromagnetismo de Maxwell decían que esto era totalmente imposible. Einstein, en 1.905, vino a solucionar el problema con su teoría de la relatividad especial y a partir de ahí le dio un vuelco completo a nuestro modo de entender el espacio y el tiempo que, según esta teoría, no se pueden considerar separadamente y como conceptos fijos e inamovibles para todos, sino que por el contrario, el espacio-tiempo era una estructura maleable cuya forma y modo de presentarse dependían del estado de movimiento del observador que lo esté midiendo.

Resultado de imagen de La velocidad de la luz

1.080 Km/h

La velocidad de la luz es una constante universal y, cuado es emitida por un cuerpo celeste de forma isotrópica, corre en todas las direcciones a la misma velocidad de 299.792.458 metros por segundo. No importa si la fuente emisora está en movimiento o en reposo, la velocidad es invariante.

El escenario creado por el desarrollo de la relatividad especial construyó inmediatamente el escenario para el segundo conflicto. Una de las conclusiones de Einstein es que ningún objeto (de hecho, ninguna influencia o perturbación de ninguna clase) puede viajar a una velocidad superior a la de la luz. Einstein amplió su teoría en 1915 – relatividad general – y perfeccionó la teoría de la gravitación de Newton, ofreciendo un nuevo concepto de la gravedad que estaba producida por la presencia de grandes masas, tales como planetas o estrellas, que curvaban el espacio y distorsionaban el tiempo.

Tales distorsiones en la estructura del espacio y el tiempo transmiten la fuerza de la gravedad de un lugar a otro. La luna no se escapa y se mantiene ahí, a 400.000 Km de distancia de la Tierra, porque está influenciada por la fuerza de gravedad que ambos objetos crean y los mantiene unidos por esa cuerda invisible que tira de la una hacia la otra y viceversa. Igualmente ocurre con el Sol y la Tierra que, separados por 150 millones de kilómetros, están influidos por esa fuerza gravitatoria que hace girar a la Tierra (y a los demás planetas del Sistema Solar) alrededor del Sol.

Así las cosas, no podemos ya pensar que el espacio y el tiempo sean un telón de fondo inerte en el que se desarrollan los sucesos del universo, al contrario; según la relatividad especial y la relatividad general, son actores que desempeñan un papel íntimamente ligado al desarrollo de los sucesos.

El descubrimiento de la relatividad general, aunque resuelve un conflicto, nos lleva a otro. Durante tres décadas desde 1.900, en que Max Planck publicó su trabajo sobre la absorción o emisión de energía de manera discontinua y mediante paquetes discretos a los que él llamo cuantos, los físicos desarrollaron la mecánica cuántica en respuesta a varios problemas evidentes que se pusieron de manifiesto cuando los conceptos de la física del siglo XIX se aplicaron al mundo microscópico. Así que el tercer conflicto estaba servido, la incompatibilidad manifiesta entre relatividad general y mecánica cuántica.

La forma geométrica ligeramente curvada del espacio que aparece a partir de la relatividad general, es incompatible con el comportamiento microscópico irritante y frenético del universo que se deduce de la mecánica cuántica, lo cual era sin duda alguna el problema central de la física moderna.

Las dos grandes teorías de la física, la relatividad general y la mecánica cuántica, infalibles y perfectas por separado, no funcionaban cuando tratábamos de unirlas resulta algo incomprensible, y, de todo ello podemos deducir que, el problema radica en que debemos saber como desarrolar nuevas teorías que modernicen a las ya existentes que, siendo buenas herramientas, también nos resultan incompletas para lo que, en realidad, necesitamos.

emilio silvera

La desintegración de un Neutrón

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (1)

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La desintegración Beta del neutrón está mediada por un Bosón W-,que transforma uno de sus quarks, y se desintegra en el par electrón-antineutrino. Ahora leamos el reportaje de la Revista “Investigación y Ciencia”, referido a la física de partículas y a unas mediciones efectuadas que no son coincidentes.

“Dos técnicas de precisión arrojan valores distintos para el tiempo que tardan los neutrones en desintegrarse. ¿Se trata de un error experimental, o hay un misterio más profundo?

 

En síntesis

Los neutrones libres no son estables: pasados unos 15 minutos, un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Conocer con exactitud su vida media es clave para abordar varias cuestiones en física y cosmología.

{\displaystyle n\to p+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}

Existen dos métodos para determinar con precisión la vida media de esta partícula. El primero cuenta los neutrones que quedan en un recipiente después de cierto tiempo; el segundo cuenta los protones generados en su desintegración.

Hace años que una y otra técnica arrojan valores considerablemente dispares. Se cree que la discrepancia obedece a errores sistemáticos en alguno de los experimentos; sin embargo, hasta ahora nadie ha logrado dar con ellos.

Neutrón-Estructura de Quarks.png

Un neutrón está formado por dos quarks dowm (abajo) y un quark up (arriba), tiene una vida media de 14,761 minutos, es una partícula de la familia de los hadrones en su vertiente bariónica, interacción: con la Gravedad, la nuclear débil y la nuclear fuerte, su símbolo es n, su antipartícula es el antineutrón, la teorízo Rutherford y la descubrio James Chadwick, su masa es de  1,674 927 29(28)×10−27 K., la carga eléctrica es cero, espín ½. Se conoce cuando forma parte del átomo por nucleón.

Por suerte para la vida en la Tierra, la mayor parte de la materia no es radiactiva. Aunque no solemos darle demasiada importancia, este hecho no deja de resultar sorprendente, ya que el neutrón (uno de los constituyentes, junto con el protón, de los núcleos atómicos) es propenso a desintegrarse. En el interior de un núcleo típico el neutrón puede vivir durante largo tiempo, pero, aislado, se desintegra en otras partículas en unos 15 minutos. Decimos «unos 15 minutos» para ocultar nuestra ignorancia al respecto, ya que, hasta ahora, no hemos sido capaces de medir con exactitud la vida media de esta partícula.

Diagrama de Segrè. El color indica el periodo de semidesintegración de los isótopos radiactivos conocidos, también llamado semivida. Observe que un ligero exceso de neutrones favorece la estabilidad en átomos pesados.

Resolver este «rompecabezas de la vida media del neutrón» no solo supone una cuestión de orgullo para nuestro gremio, el de los físicos experimentales, sino que resulta también vital para comprender mejor las leyes físicas. La desintegración del neutrón constituye uno de los procesos más sencillos en los que interviene la interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Para entenderla por completo, hemos de saber cuánto tarda un neutrón aislado en desintegrarse. Por otro lado, la vida media del neutrón condicionó cómo se formaron los elementos químicos más ligeros después de la gran explosión que dio origen a nuestro universo. A los cosmólogos les gustaría poder calcular las abundancias esperadas de los distintos elementos y contrastarlas con los datos obtenidos por los astrofísicos. Un acuerdo apuntalaría nuestras teorías cosmológicas, mientras que una discrepancia indicaría la existencia de fenómenos físicos aún por descubrir. Pero, para poder llevar a cabo dicha comparación, hemos de conocer con exactitud cuánto vive un neutrón antes de desintegrarse.

Dibujo20130128 neutron lifetime through time from year 1960 until 2010

Hace más de diez años, dos grupos experimentales, uno en Francia y otro en EE.UU., intentaron medir con precisión la vida media del neutrón. Uno de nosotros (Geltenbort) pertenecía al primer equipo, mientras que el otro (Greene) trabajaba en el segundo. Con sorpresa y cierta inquietud, comprobamos que nuestros resultados diferían de manera considerable. Algunos teóricos sugirieron que la discrepancia podría deberse a fenómenos físicos exóticos, como que parte de los neutrones se hubiesen desintegrado en partículas nunca antes observadas. Nosotros, sin embargo, achacamos la diferencia a una razón mucho más mundana: uno de los grupos —o ambos— tenía que haber cometido algún error o sobre-estimado la precisión de sus resultados.

Hace poco, el equipo estadounidense completó un largo y concienzudo proyecto para estudiar la principal fuente de error que afectaba a sus mediciones. Lejos de zanjar la cuestión, sus esfuerzos solo confirmaron los resultados previos. Al mismo tiempo, otros investigadores verificaron los resultados del grupo de Geltenbort. Esta discrepancia nos ha dejado más perplejos de lo que ya estábamos, pero no hemos abandonado. Por el momento, ambos equipos y otros físicos experimentales seguimos buscando una respuesta.

CRONOMETRAR NEUTRONES

Dibujo20130128 neutron lifetime weighted average - particle data group 2012

El neutrón y el protón forman los núcleos de los átomos; el protón es estable (su vida media es superior a 10³² años, según PDG 2012), pero el neutrón es inestable (vía la interacción electrodébil se desintegra en un protón) y aislado su vida media es de solo 880,1 ± 1,1 segundos (14 minutos y 40,1 segundos)

En teoría, determinar la vida media del neutrón es sencillo. Entendemos bien la física del proceso y disponemos de las herramientas adecuadas para estudiarlo. Sabemos que, siempre que una partícula pueda desintegrarse en otras de menor masa, acabará haciéndolo si en el proceso se conservan ciertas propiedades, como la carga eléctrica o el espín. En la llamada desintegración beta, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un antineutrino. Las masas de estas tres partículas suman algo menos que la masa del neutrón, pero la carga y el espín totales permanecen idénticos. Entre las cantidades conservadas se incluye la suma de masa y energía, por lo que las tres partículas finales incorporan esa pequeña diferencia de masa en forma de energía cinética.”

Nota: El artículo me ha sido enviado por Don José Gómez, un contertulio y visitante de ésta página que, con buen criterio, apunta que en cuanto a esas diferencias, las pruebas deben ser repetidas en distintos lugares y, si es posible, por distintos científicos también, ya que, en física de partícula, los resultados de un experimento, debe coincidir sin fisuras.