Javier Gómez-Elvira, investigador del CAB (INTA-CSIC): “REMS registrará seis parámetros atmosféricos distintos”

23/11/2011

(infoespacial.com) Madrid.- Javier Gómez-Elvira, ingeniero en robótica del Centro de Astrobiología (CAB) del INTA-CSIC, e investigador principal del REMS (Rover Environmental Monitoring Station), explica que el instrumento desarrollado en España para Curiosity registrará seis parámetros atmosféricos: dirección y velocidad del viento, presión, humedad relativa, temperatura del aire, temperatura del terreno y radiación ultravioleta. (por cierto, se ha detectado que la atmósfera de Marte está saturada de vapor de agua?

Todos los sensores están localizados en torno a tres elementos: dos brazos unidos al Mástil de Teledetección (RSM), el sensor ultravioleta (UVS) situado en la cubierta superior del rover, y la Unidad de Control de Instrumentos (ICU) integrada dentro del vehículo.

“Los brazos son de aproximadamente de 1.5 metros por encima del nivel del suelo. La longitud de los mismos es similar al diámetro del RSM, y por lo tanto, la perturbación del flujo de viento por el RSM puede alcanzar la punta del brazo donde está ubicado el sensor de viento”, señala el investigador.

El Rover Environmental Monitoring Station (REMS) es un instrumento desarrollado en el Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) para explorar el medio ambiente en la superficie de Marte a borde del Mars SciencieLaboratory (MSL) de la Agencia Espacial de los EE UU (NASA). El MSL bautizado para el gran público como Curiosity es un vehículo que estudiará la habitabilidad del planeta y valorará si Marte fue o es todavía entorno adecuado para poder sostener la vida microbiana.

En su operación nominal a lo largo de un período mínimo de dos años terrestres (un año marciano, aproximadamente), REMS registrará durante un intervalo de cinco minutos cada hora, la temperatura del aire, la presión, la humedad relativa, la temperatura del suelo, la velocidad y dirección del viento y la radiación ultravioleta (UV).

El registro sistemático de dichas variables medioambientales permitirá caracterizar, entre otros fenómenos, la dinámica de capa límite de la atmósfera marciana, ciclos del agua y del polvo, y los niveles de radiación UV, contribuyendo de este modo a los objetivos fundamentales de la misión MSL.

La construcción, calibrado y prueba del instrumento REMS ha sido dirigida por el Centro de Astrobiología /CAB, CSIC-INTA), en colaboración con la Empresa EADS/Crisa, la Universidad Politécnica de Cataluña, el Instituto Meteorológico Finlandés (FMI), la Universidad de Alcalá de Henares y diversas instituciones norteamericanas.

Curiosity con REMS a bordo , fue lanzado con éxito por un cohete Atlas V el pasado 26 de noviembre de 2011 desde Kennedy Space Center, en Cabo Cañaveral (cerca de Orlando, Florida, USA). En la actualidad viaja sin mayor novedad hacia Marte, donde se espera que llegue en Agosto de este mismo año. Todas las pruebas hechas después del lanzamiento han confirmado que todos los sistemas (incluyendo REMS), funcionan según lo esperado.

A lo largo de la Historia de la exploración espacial, las Agencias de la Unión Soviética, Estados Unidos, Europa y Japón, han enviado a Marte varias decenas de plataformas espaciales. El motor de esta búsqueda es el afán de alcanzar nuevas fronteras del conocimiento, explorar entornos desconocidos y superar desafíos tecnológicos. Aproximadamente dos terceras partes de estas misiones, han fallado de una u otra manera antes del comienzo de la misión.

La mayor parte de las misiones científicas de exploración de Marte se han desarrollado en satélites que orbitan alrededor del planeta y utilizan técnicas de detección remota (teledetección) para caracterizar la superficie y el subsuelo del planeta, la geología y la mineralogía, Actualmente continúan en operación, investigando la superficie y la atmósfera de Marte, los orbitadores:

                                             Mars Reconnaissance Orbiter (desde 2006)

                                    Mars Express (de la ESA, desde 2003), y

                                          Mars Odyssei (desde 2001),

Y como vehículo de superficie, de los Mars Exploratión Rovers (MER)…el

Recientemente ha llegado a su fin con éxito dos misiones muy fructíferas, un orbitador, el Mars GlobalSurveyor (1997-2006)

y el otro vehículo de los MER, el Spirit rover (2004-2010).

Las técnicas de detección remota han sido explotadas hasta la fecha con gran éxito. Se han utilizado: espectrómetros (tanto en rango visible, como en el infrarrojo o en el ultravioleta), cámaras con capacidad para tomar imágenes de alta resolución, rádares para el estudio del subsuelo, detectores de campo magnético, detectores de neutrones, etc. No obstante la detección remota tiene ciertas limitaciones a la hora de caracterizar los fenómenos de superficie. Por un lado cada punto del planeta es observado a distintas horas del día y en distintas estaciones por lo que no es posible adquirir una secuencia sistemática de procesos locales que varíen en escalas de tiempos pequeñas.

En fin, que todas las misiones encaminadas a explorar el exterior, siempre resultarán muy complejas y, Marte, es como una pieza de toque, un laboratorio en el que ensayar para mayores proyectos.

Esperemos que, ahora que está bien asentada en aquel planeta, Curiosity nos pueda enviar buenas nuevas y buenas noticias. Imágenes ya nos facilita algunas pero… ¡queremos más! Además… ¡De la vida ni rastro!

emilio silvera

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Me ha venido a la memoria escenas y hechos que, en la última charla que pude dar en un Centro Educativo,  en el apartado de Ciencia, para chavales de 2º de Bachillerato, comencé la sesión ilustrándola con la Imagen de arriba, de la que di una breve explicación antes de entrar en materia que, en realidad era: Nacimiento, Vida y Muerte de las estrellas y, de lo que hacían durante eseos largos períodos de tiempo y, en qué se convertían al final de sus vidas como estrellas.

El caso fue que, comencé con las explicaciones y, de entre el auditorio de jóvenes llenos de energía y revoltosos, algunos, no prestaban atención y, además, con sus bromas y risas, no dejaban que los demás, se pudieran interesar en lo que allí se trataba.

Aquella actitud de algunos, me obligó a parar la esposición y, mirándo seriamente a los alborotadores, les dije: Chicos, si el tema no os interesa, y queréis salir de aquí siendo un poco más “burros”, sois libres de hacerlo. Sin embargo, os ruego que, si finalmente decidías seguir con nosotros, y al final ser un poco mñás “sabios”, dejéis de alborotar.

Como ya son “hombrecitos y mujeres”, la repimenda tuvo su efecto y, a partir de aquel momento, todos estuvieron atentos a mis palabras con las que fui desgranan, despacio y con palabras sencillas, lo que era una explosión de supernova y cómo dejaba regada una amplia región del espacio interestelar por una hermosa e inmensa nebulosa de cuyos materiales, vuelven a nacer nuevas estrellas y nuevos mundos.

Apoyaba mis palabras con imágenes  como la de arriba.  La fotografía combina diferentes radiaciones, como rayos X, infrarojos o luz visible, y genera una amalgama de colores que aportan información importante para entender cómo llega una estrella a ser una estrella. Esta imagen ofrece una interesante mirada hacia el interior de la región activa de estrellas en ciernes llamada NGC 346. Los científicos responsables del telescopio aseguran que revela información nueva sobre cómo se forman las estrellas en el Universo.

La NASA publicó un video (1/09/2011) donde se aprecia el proceso de nacimiento estelar. Con grandes chorros de gas incandescente nacen las estrellas a millones de años luz, algo que ahora está al alcance del ojo humano a través de un vídeo reconstruido con imágenes fijas tomadas por el telescopio Hubble.  El vídeo, publicado en la página web de la agencia espacial estadounidense (NASA), ofrecía nuevos detalles sobre el proceso de nacimiento estelar, en el que se pueden apreciar los chorros de gas que expulsan las estrellas jóvenes con un detalle hasta ahora nunca visto.

A medida que las explicaciones avanzaban, pude notar como el interés de los chicos crecía. Ya no bromeaba nadie, la sala estaba en silencio y todos, sin excepción, se veían interesados e incluso, algunos, tenían la boca abierta por asombro. Allí, lo que al principio era una simple charla para alumnos, se fue convirtiendo en un auditoriun donde, profesores y alumnos de otras clases llegaban y se unián a los ya presentes.

Les pude explicar con todo detalle y de la manera más sencilla posible, como se formaban los elementos en las estrellas a partir del Hidrogeno, el elemento más sencillo de la Naturaleza.

Les expliqué el proceso protón-protón que convertía Hidrógeno en Helio y el proceso triple Alfa que convertía Helio en Carbono, el material químicamente más idóneo para la vida -al menos aquí en la Tierra- y, se hizo un largo recorrido por la transmutación que se producía en  todos los elementos, a medida que transcurría el tiempo y la estrella evolucionaba.

Pude darles una buena noción de las clases de estrellas que existen y de que, no todas tienen las mismas masas y que, como consecuencia de ello, cada una de esas estrellas, viven más o menos tiempo y que, cuando al final mueren, lo hacen de muy diferentes maneras. Ya que, estrellas medianas como nuestro Sol, terminan creando una Nebulosa planetaria al convertirse en Gigante roja y, terminan sus días como enanas blancas de una gran densidad. Les expliqué el proceso que hacían hasta llegar a tal estado y los parámetros que, como ekl principio de exclusión de Pauli, estaban allí presentes. De la misma manera, les expliqué que, estrellas más masivas terminaban como estrellas de neutrones y más masivas aún, como agujeros negros.

El recorrido fue algo largo (más de lo esperado), ya que, vista la gran atención que todos ponían en las explicaciones y en las imágenes que se ivan poniendo en cada fasa del proceso explicativo, procuraba que el tema tratado lo fuera en profundidad y amplitud y, de esa manera, la cosa resultó, además de más amena, mucho más completa y, sobre todo, comprensible.

Cuando al final di la charla por finalizada, pregunté si alguien quería alguna explicación sobre algún aspecxto delo que habíamos tratado, y, las manos que se levantaban presagiaban un largo, muy largo debate. Y, así fue. Los jóvenes se interesaban por todo y, de entre todo lo explicado, las cosas que más llamaron su atención fueron, por ejemplo:

Que nuestro Sol, cada segundo, pueda fusionar 4.654000 toneladas de Hidrógeno en 4.650.000 toneladas de Helio. Y, un observador inquisitivo, me preguntaba: ¿dónde están las 4.000 Tn que se han perdido? Bueno, le expliqé que habían sido lanzadas al espacio interestelar en forma de luz y de calor y, una pequeña fracción, llegaba a la Tierra para permitir la fotosíntesis y la vida.

Otra de las cuestiones que les llamó más la atención fue, cómo era posible que estrellas supergigantes, pudieran tener una vida más corta cuando tenían a su disposición mucho más material. Y, cuando les expliqué que, esas estrellas, no consumen sino que devoran literalmente el material nuclaer de fusión, comprendieron el por qué de sus cortas vidas.

Y, preguntaban cómo no todas las estrellas tenían el mismo colo, amarillas como nuestro Sol. La exlicación, como sabemos, está en el hecho de que no todas están formadas por el mismo material: Hay estrellas de Carbono, otras son de Oxígeno, Litio, manganeso…, la diversidad es enorme.

Mostraron mucha curiosidad y más intewrés aún, al saber -no todos conocían tal hecho- que, los elementos para hacer posible, la bio-química de la vida, se fabrica en las estrellas, es allí, en sus hornos nucleares donde se producen los elementos que conforma la materia del Universo, su diversidad que, bajo ciertas condiciones y, en los mundos adecuados situados en las zonas habitables de sus estrellas, pueden hacer surgir formas de vida que, a veces, llegan incluso a ser conscientes, como ha pasado aquí, en la Tierra.

Los remanentes de supernovas y de cómo en esas inmensas explosiones se producían oro y platino, también fue uno de los temas que llamó la atención del personal. Todos querían hablar al mismo tiempo y todos -era un auténtico gozo- tenían preguntas que plantear. Al final, el tiempo pasaba sin sentir y tuve que dar por finalizado el evento que, al contrario de lo que parecía al principio, fue todo un exito, sobre todo, al comprobar que aquellos jóvenes al terminar la charla y el coloquio, eran un poco “más sabios” que antes de empezar.

Claro que, no siempre las cosas salen tan bien paradas. Recuerdo aquel Asilo de Ancianos al que hace tiempo fuí a dar una charla de astronomía y, antes de terminar, estaban todos, prácticamewnte dormidos. La curiosidad y el interés, les había abandonado y, ese fue un día triste para mí.

emilio silvera

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En el verano de 1967 Anthony Hewish y sus colaboradores de la Universidad de Cambridge detectaron, por accidente, emisiones de radio en los cielos que en nada se parecían a las que se habían detectado hasta entonces. Llegaban en impulsos muy regulares a intervalos de sólo 1 1/3 segundos. Para ser exactos, a intervalos de 1,33730109 segundos. La fuente emisora recibió el nombre de “estrella pulsante” o “pulsar”.

   Esta es la imagen que de un púlsar tenemos pero…

¿QUE SON LOS PÚLSARES?

Un púlsar es una fuente de radio desde la que se recibe un tren de pulsos altamente regular. Han sido catalogados cerca de un millar de púlsares desde que se descubriera el primero en 1967. Los Púlsares son Estrellas de Neutrones en rápida rotación, con un diámetro de 20-30 Km. Las estrellas se hallan altamente magnetizadas (alrededor de 10 exp.8 tesla), con el eje magnético inclinado con respecto al eje de rotación.

La emisión de radio se cree que surge por la aceleración de partículas cargadas por encima de los polos magnéticos. A medida que rota la estrella, un haz de ondas de radio barre la Tierra, siendo entonces observado el pulso, de forma similar a la luz de un faro. Los períodos de los pulsos son típicamente de 1 s pero varían desde los 1,56 ms (púlsares de milisegundo) hasta los 4’3 s

Los períodos de los pulsos se alargan gradualmente a medida que las estrellas de neutrones pierden energía rotacional, aunque unos pocos púlsares jóvenes son propensos a súbitas perturbaciones conocidas como ráfagas. Las medidas precisas de tiempos en los púlsares han revelado la presencia de púlsares binarios, y un púlsar, PSR 1257+12, se ha demostrado que está acompañado por objetos de masa planetaria. Han sido detectados destellos ópticos procedentes de unos pocos púlsares, notablemente los Púlsares del Cangrejo y Vela.

La mayoría de los púlsares se piensa que se crean en explosiones de supernova por el colapso del núcleo de una estrella supergigante, aunque en la actualidad hay considerables evidencias de que al menos algunos de ellos se originan a partir de enanas blancas que han colapsado en estrellas de neutrones después de una acreción de masa de una estrella compañera. (Púlsar reciclado).

La gran mayoría de los púlsares conocidos se encuentran en la Vía Láctea  y están concentrados en el plano galáctico. Se estima que hay unos 100.000 púlsares en la Galaxia. Las observaciones de la dispersión interestelar y del efecto Faraday en los púlsares suministran información sobre la distribución de electrones libres y de los campos magnéticos de la Vía Láctea.

Cuando un púlsar está en órbita con otra estrella, estamos hablando de un púlsar binario, cuya existencia es revelada por un cambio cíclico en el período de pulsación a medida que las dos estrellas orbitan la una en torno a la otra. Se conocen alrededor de 50 púlsares binarios, con períodos orbitales que varían entre menos de 1 hora y varios años, y períodos de pulsión entre 1,6 ms y más de 1 s.

Imagen más aclaratorio del PSR 1913+16

El primer púlsar binario conocido, PSR 1913+16, fue descubierto en 1974. Consiste en un púlsar que tiene 17 pulsaciones por segundo, en una órbita altamente excéntrica con un período de 7,75 horas alrededor de una segunda estrella de neutrones en la que no se han observado pulsaciones. Cada estrella tiene unas 1,4 masas solares, próxima al límite de Chandrasekhar, y el período orbital se está acortando gradualmente debido a la pérdida de energía a través de radiación gravitacional.

El primer púlsar binario conocido, PSR 1913+16, fue descubierto en 1974. Consiste en un púlsar que tiene 17 pulsaciones por segundo, en una órbita altamente excéntrica con un período de 7,75 horas alrededor de una segunda estrella de neutrones en la que no se han observado pulsaciones. Cada estrella tiene unas 1,4 masas solares, próxima al límite de Chandrasekhar, y el período orbital se está acortando gradualmente debido a la pérdida de energía a través de radiación gravitacional.

       Púlsar evaporando estrella © Crédito: NASA/ESA. PSR 1957 + 20

Otro púlsar binario destacable es PSR 1957 + 20, llamado en ocasiones púlsar de la viuda negra, en el que la intensa radiación procedente del pulsar está evaporando su  pequeña estrella compañera. Algunos púlsares binarios se saben ahora que son púlsares reciclados que han adquirido altas velocidades de rotación debido  a la acreción de gas procedente del compañero.

El púlsar del milisegundo brilla cada pocas milésimas de segundo. El primero en ser descubierto, PSR 1937 + 21, tiene un período de 1,56 ms, siendo aún el del período más corto conocido y próximo al mínimo teórico para una estrella de neutrones en rotación. Han sido descubiertos más de 60 púlsares con períodos de menos de 20 milisegundos, muchos de ellos en cúmulos globulares. Los púlsares de milisegundo poseen una rotación extremadamente estable y mantiene una regularidad mayor que la de los relojes atómicos.

También está el púlsar de rayos X. Aquí estamos hablando de una binaria de rayos X que tiene una variabilidad regular, en la que la pulsación está asociada al período de rotación de la compañera compacta, una estrella de neutrones magnetizada.

Los períodos varían desde unos pocos segundos hasta unos pocos minutos. Estas pulsaciones se piensa que están provocadas por el campo magnético que canaliza el gas en acreción hacia los polos de la estrella produciendo “manchas calientes” localizadas que se hacen visibles o no a medida que rota la estrella. Un ejemplo de dicho sistema es Hércules X-1.

La mayoría de los púlsares se piensa que se crean en explosiones de supernova por el colapso del núcleo de una estrella supergigante, aunque en la actualidad hay considerables evidencias de que al menos algunos de ellos se originan a partir de enanas blancas que han colapsado en estrellas de neutrones después de una acreción de masa de una estrella compañera. (Púlsar reciclado).

Otro tipo de púlsar es el llamado óptico que sufre pulsaciones en la parte visible del espectro, además de en longitudes de onda de radio y de otros tipos. El primer púlsar cuyas pulsaciones ópticas fueron descubiertas fue el Púlsar del Cangrejo, en 1969, seguido del Púlsar Vela en 1977.

El púlsar denominado “reciclado” es un púlsar con un campo magnético inusualmente bajo (1-100 tesla), un ritmo de frenado pequeño y un período de pulsos frecuentemente muy bajo, encontrándose a menudo en sistemas binarios.

Se cree que los púlsares reciclados son púlsares ordinarios que han perdido energía y se han debilitado, y que luego se han puesto a girar de nuevo por acreción del gas de la estrella compañera. Existe una alta proporción de púlsares reciclados en los núcleos de los cúmulos globulares, donde la alta densidad de estrellas hace más probable la captura de una vieja estrella de neutrones en un sistema binario. Los primeros púlsares reciclados en ser descubiertos tenían  períodos de pulsos muy cortos y se conocen como “púlsares de milisegundo”, aunque más tarde se descubrieron otros con períodos mucho más largo.

Para poder llegar a estrella de neutrones, la estrella original que implosiona es más masiva que nuestro Sol. La estrella de Neutrones es muy densa, tan densa como el núcleo de un átomo y, cuando colapsa se convierte en un púlsar giratorio que es el resultado de una explosión de supernova como la presenciada en 1054.

emilio silvera

[?]

En 1.949, el físico francés Louis de Broglie, que ganó el premio Nobel, propuso construir un laboratorio europeo de física de partículas. Su idea caló hondo en la comunidad internacional, y tres años más tarde, 11 países europeos dieron el visto bueno y el dinero para construir el CERN, inaugurado en Ginebra en 1.954, y al que tanto le debe la física y las Sociedades modernas del mundo.

Los aceleradores de partículas son un gran invento que ha permitido comprobar (hasta donde se ha podido, al menos) la estructura del átomo. En el acelerador del Fermilab, por ejemplo, un detector de tres pisos de altura que en su momento costó unos ochenta millones de dólares para poder captar electrónicamente los “restos” de la colisión entre un protón y un antiprotón. Aquí la prueba consiste en que decenas de miles de sensores generen un impulso eléctrico cuando pasa una partícula. Todos esos impulsos son llevados a procesadores electrónicos de datos a través de cientos de miles de cables. Por último, se hace una grabación en carrete de cinta magnética codificada con ceros y unos. La cinta graba las violentas colisiones de los protones y antiprotones, en las que generan unas setenta partículas que salen disparadas en diferentes direcciones dentro de las varias secciones del detector.

El 13 de octubre de 1985 se produjo la primera colisión protón-antiprotón en el Tevatrón del Fermilab

La ciencia, en especial la física de partículas, gana confianza en sus conclusiones por duplicación, es decir, un experimento en California se confirma mediante un acelerador de un estilo diferente que funciona en Ginebra con otro equipo distinto, que incluye en cada experimento los controles necesarios y todas las comprobaciones para que puedan confirmar con muchas garantías el resultado finalmente obtenido. Es un proceso largo y muy complejo; la consecuencia de muchos años de investigación de muchos equipos diferentes.

No es suficiente con un único resultado. Si muchos, en distintos lugares dan lo mismo…se pueden considerar ciertos

Yo puedo visualizar la estructura interna de un átomo. Puedo hacer que me vengan imágenes mentales de nebulosas de “presencia” de electrón alrededor de la minúscula mota del núcleo que atrae esa bruma de la nube electrónica hacia sí. Puedo ver los átomos, los protones y los neutrones, y en su interior, los diminutos quarks enfangados en un mar de neutrones. Claro que todo eso es posible por el hecho de que dicha imagen me es muy familiar. Creo que cada uno construirá sus propias imágenes conforme él las vea a partir de las ecuaciones o bien de cómo las formó en su mente a partir de sus lecturas o explicaciones oídas en charlas científicas.

Cuando entraron en escena David Politrer, de Harvard, y David Gross y Frank Wilczek, de Pinceton, el panorama de lo que ocurría en el interior del núcleo se aclaró bastante. Ellos, descubrieron algo que llamaron libertad asintótica. Asintótico significa, burdamente, “que se acerca cada vez más, pero no toca nunca”. La interacción fuerte se debilita más y más a medida que un quark se aproxima a otro. Esto significa, paradójicamente, que cuando los quarks están muy juntos se portan casi como si fuesen libres; pero cuando se apartan, las fuerzas se hacen efectivamente mayores. Las distancias cortas suponen energías altas, así que la interacción fuerte se debilita a altas energías. Esto es justo lo contrario de lo que pasa con la fuerza eléctrica. Aún más importante era que la interacción fuerte necesitase una partícula mensajera, como las otras fuerzas, y en alguna parte le dieron al mensajero el nombre de gluón (del inglés glue, pegamento).

A todo esto, llegó Murray Gell-Mann con sus quarks para completar el panorama. Adjudicó a estas diminutas partículas color y sabor (nada que ver con el gusto y los colores reales) y llegó la teoría denominada cromodinámica cuántica. Todo aquello dio mucho que hablar y mucho trabajo a los teóricos y experimentadores, y al entrar en los años ochenta, se había dado ya con todas las partículas de la materia (los quarks y los leptones), y teníamos las partículas mensajeras, o bosones gauge, de las tres fuerzas, a excepción de la gravedad.

La familia de los leptones está compuesta por el electrón, muón y tau con sus correspondientes neutrinos. Así quedó prácticamente completo el llamado modelo estándar que describe las partículas que forman la materia conocida y las fuerzas que intervienen e interaccionan con ellas. La gravedad quedó plasmada en la relatividad general de Einstein.

¿Por qué es incompleto el modelo estándar? Una carencia es que no se haya visto todavía el quark top; otra, la ausencia de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la gravedad. Otro defecto estético es que no es lo bastante simple; debería parecerse más a la tierra, aire, fuego y agua de Empédocles. Hay demasiados parámetros y demasiados controles que ajustar. Necesitamos una nueva teoría que sea menos complicada, más sencilla y bella, sin vericuetos intrincados que salvar, con la limpieza y serena majestad de la teoría de la gravedad que, con enorme simpleza y aplicando los principios naturales, trata los temas más profundos del universo. Esperemos que continúe desarrollándose la teoría de cuerdas y que, como parece, incluya todas las fuerzas, todas las partículas y, en fin, todos los parámetros que dan sentido al universo.

Sí, al Modelo Estándar la faltan algunas cosas y le sobran otras, o, al menos, sería necesario explicarlas mejor. La Gravedad no está presente y, hay una veintena de parámetros aleatorios que, como el Bosón de Higgs, no se pueden explicar…aún. La Historia viene de lejos:

A todo esto y como he dicho, el quark top está perdido (ya se encontró) y el neutrino tau no se ha detectado directamente (pero experimentos nos han dicho que un neutrino muónico se puede transformar en uno tau), y muchos de los números que nos hacen falta conocer los tenemos de forma imprecisa. Por ejemplo, no sabemos si los neutrinos tienen alguna masa en reposo.

Tenemos que saber cómo la violación de la simetría CP (el proceso que originó la materia) aparece, y lo que es más importante, hemos de introducir un nuevo fenómeno, al que llamamos campo de Higgs, para preservar las coherencia matemática del modelo estándar. La idea de Higgs y su partícula asociada, el bosón de Higgs, cuenta en todos los problemas que he mencionado antes. Parece, con tantos parámetros imprecisos (19), que el modelo estándar está asentado sobre arenas movedizas.

En realidad, no sabemos si la relatividad general y la teoría cuántica, son dos mundos antagónicos que nos empeñamos en unir

Entre los teóricos, el casamiento de la relatividad general y la teoría cuántica es el problema central de la física moderna. A los esfuerzos teóricos que se realizan con ese propósito se les llama “supergravedad”, “supersimetría”, “supercuerdas”, “teoría M” o, en último caso, “teoría de todo” o “gran teoría unificada”.

Ahí tenemos unas matemáticas exóticas que ponen de punta hasta los pelos de las cejas de algunos de los mejores matemáticos del mundo (¿y Perelman?; ¿por qué no se ha implicado?). Hablan de 10, 11 y 26 dimensiones, siempre todas ellas espaciales menos una que es la temporal. Vivimos en cuatro: tres de espacio (este-oeste, norte-sur y arriba-abajo) y una temporal. No podemos ni sabemos, o no nos es posible intuir en nuestro cerebro (también tridimensional), ver más dimensiones. Pero llegaron Kaluza y Klein y compactaron en la longitud de Planck las dimensiones que no podíamos ver; ¡problema solucionado! ¿Quién puede ir a la longitud de Planck para verlas?

La puerta de las dimensiones más altas quedó abierta y a los teóricos se les regaló una herramienta maravillosa: el hiperespacio; todo es posible. Hasta el matrimonio de la relatividad general y la mecánica cuántica, allí sí es posible encontrar esa soñada teoría de la gravedad cuántica.

           ¡Tiene tántos secretos el Universo!

Así que las teorías se han embarcado a la búsqueda de un objeto audaz: buscan una teoría que describa la simplicidad primigenia que reinaba en el intenso calor del universo en sus primeros tiempos; una teoría carente de parámetros, donde estén presentes todas las respuestas. Todo debe ser contestado a partir de una ecuación básica.

¿Dónde radica el problema?

El problema está en que la única teoría candidata no tiene conexión directa con el mundo de la observación, o no lo tiene todavía si queremos expresarnos con propiedad. La energía necesaria para ello, no la tiene ni el nuevo acelerador de partículas LHC que mencioné en páginas anteriores.

La verdad es que la teoría que ahora tenemos, el modelo estándar, concuerda de manera exacta con todos los datos a bajar energías y contesta cosas sin sentido a altas energías. ¡Necesitamos algo más avanzado!

Se ha dicho que la función de la partícula de Higgs es la de dar masa a las partículas que carecen de ella, disfrazando así la verdadera simetría del mundo. Cuando su autor lanzó la idea al mundo, resultó además de nueva, muy extraña. El secreto de todo radica en conseguir la simplicidad: el átomo resultó ser complejo, lleno de esas infinitesimales partículas electromagnéticas que bautizamos con el nombre de electrones. Resultó que tenía un núcleo que contenía, a pesar de ser tan pequeño, casi toda la masa del átomo. El núcleo, tan pequeño, estaba compuesto de otros objetos más pequeños aún; los quarks que estaban instalados en nubes de otras partículas llamadas gluones, y ahora queremos continuar profundizando, sospechando que después de los quarks puede haber algo más.

Con los últimos experimentos en el LHC, podemos leer declaraciones como éstas:

“…confirmaron que durante este año, tal y como se ha anunciado hace semanas, se ha obtenido una auténtica marea de datos que dejan poco o ningún lugar a dudas sobre la existencia de la partícula que la teoría considera responsable de la masa de todas las demás partículas y sin la que el Universo, sencillamente no existiría tal y como lo conocemos.”

 

 

 

Bueno, la idea nueva que surgió es que el espacio entero contiene un campo, el campo de Higgs, que impregna el vacío y es el mismo en todas partes, es decir, que si miramos a las estrellas en una noche clara, estamos mirando el campo de Higgs. Las partículas influidas por este campo toman masa. Esto no es por sí mismo destacable, pues las partículas pueden tomar energía de los campos (gauge) de los que hemos comentado: del campo gravitatorio o del electromagnético. Si llevamos un bloque de plomo a lo alto de la Torre Eiffel, el bloque adquirirá energía potencial a causa de la alteración de su posición en el campo gravitatorio de la Tierra. Como E = mc², ese aumento de la energía potencial equivale a un aumento de la masa, en este caso la masa del sistema Tierra-bloque de plomo. Aquí hemos de añadirle amablemente un poco de complejidad a la venerable ecuación de Einstein: la masa, m, tiene en realidad dos partes; una es la masa en reposo, m₀, la que se mide en el laboratorio cuando la partícula está en reposo. La partícula adquiere la otra parte de la masa en virtud de su movimiento (como los protones en el acelerador de partículas, o los muones, que aumentan varias veces su masa cuando son lanzados a velocidades cercanas a c), o en virtud de su energía potencial de campo. Vemos una dinámica similar en los núcleos atómicos. Por ejemplo, si separamos el protón y el neutrón que componen un núcleo de deuterio, la suma de las masas aumenta.

Pero la energía potencial tomada del campo de Higgs difiere en varios aspectos de la acción de los campos familiares. La masa tomada de Higgs es en realidad masa en reposo. De hecho, en la que quizá sea la versión más apasionante de la teoría del campo de Higgs, éste genera toda la masa en reposo. Otra diferencia es que la cantidad de masa que se traga del campo es distinta para las distintas partículas. Los teóricos dicen que las masas de las partículas de nuestro modelo estándar miden con qué intensidad se acoplan éstas al campo de Higgs.

La influencia de Higgs en las masas de los quarks y de los leptones nos recuerda el descubrimiento por Pieter Zeeman, en 1.896, de la división de los niveles de energía de un electrón cuando se aplica un campo magnético al átomo. El campo (que representa metafóricamente el papel de Higgs) rompe la simetría del espacio de la que el electrón disfrutaba.

Hasta ahora no tenemos ni idea de qué reglas controlan los incrementos de masa generados por Higgs (de ahí la expectación creada por el nuevo acelerador de partículas LHC), pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas ­­- las masas de los W⁺, W^–, Z⁰, y el up, down, encanto, estraño, top y bottom, así como los leptones – que no forman ningún patrón obvio?

Las masas van desde la del electrón (0’0005 GeV) a la del top, que tiene que ser mayor que 91 GeV. Deberíamos recordar que esta extraña idea (el Higgs) se empleó con mucho éxito para formular la teoría electrodébil (Weinberg-Salam). Allí se propuso el campo de Higgs como una forma de ocultar la unidad de las fuerzas electromagnética y débil. En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa – los W⁺, W^–, Z⁰ y el fotón – que llevan la fuerza electrodébil. Además está el campo de Higgs, y rápidamente, los W y Z absorben la esencia de Higgs y se hacen pesados; el fotón permanece intacto. La fuerza electrodébil se fragmenta en la débil (débil porque los mensajeros son muy gordos), y la electromagnética, cuyas propiedades determina el fotón, carente de masa. La simetría se rompe espontáneamente, dicen las teorías. Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa.

Las masas de los W y Z se predijeron con éxito a partir de los parámetros de la teoría electrodébil, y las relajadas sonrisas de los físicos teóricos nos recuerdan que Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera está libre de infinitos.

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista de cuál era el origen de la masa fallaron. Feynman escribió su famosa pregunta: “¿por qué pesa el muón?”. Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa. Una voz potente y segura nos dice “¡Higgs!”. Durante más de sesenta años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo de Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmaniana podría ser: ¿cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la materia?

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente, y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen en entredicho que el concepto de masa sea un atributo fundamental de la materia. Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron de él “renormalizándolo”, ese truco matemático que empleam cuando no saben hacerlo bien.

                        ¿Sabremos alguna vez cómo adquieren masa las partículas?

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas. Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrínseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

La idea de que la masa no es intrínseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en la que los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

Una cosa más; hemos hablado de los bosones gauge y de su espín de una unidad. Hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espín de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espín cero. El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs da masa a los objetos donde quiera que estén y sin direccionalidad. Al Higgs se le llama a veces “bosón escalar” (sin dirección) por esa razón.

La interacción débil, recordaréis, fue inventada por E. Fermi para describir la desintegración radiactiva de los núcleos, que era básicamente un fenómeno de poca energía, y a medida que la teoría de Fermi se desarrolló, llegó a ser muy precisa a la hora de predecir un enorme número de procesos en el dominio de energía de los 100 MeV. Así que ahora, con las nuevas tecnologías y energías del LHC, las esperanzas son enormes para, por fin, encontrar el bosón de Higgs “origen de la masa”… y algunas cosas más.

Hay que responder montones de preguntas: ¿cuáles son las propiedades de las partículas de Higgs? y, lo que es más importante, ¿cuál es su masa? ¿Cómo reconoceremos una si nos la encontramos en una colisión del LHC? ¿Cuántos tipos hay? ¿Genera el Higgs todas las masas o sólo las hace incrementarse? ¿Cómo podemos saber más al respecto? Cómo es su partícula, nos cabe esperar que la veremos ahora después de gastar más de 50.000 millones de euros en los elementos necesarios para ello.

También a los cosmólogos les fascina la idea de Higgs, pues casi se dieron de bruces con la necesidad de tener campos escalares que participasen en el complejo proceso de la expansión del universo, añadiendo pues, un peso más a la carga que ha de soportar el Higgs.

Existirán los campos de Higgs, o…

… sólo será una creación de la mente.

El campo de Higgs, tal como se lo concibe ahora, se puede destruir con una energía grande, o temperaturas altas. Éstas generan fluctuaciones cuánticas que neutralizan el campo de Higgs. Por lo tanto, el cuado que las partículas y la cosmología pintan juntas de un universo primitivo puro y de resplandeciente simetría es demasiado caliente para Higgs. Pero cuando la temperatura cae bajo los 10^-5 grados Kelvin o 100 GeV, el Higgs empieza a actuar y hace su generación de masas. Así, por ejemplo, antes del Higgs teníamos unos W, Z y fotones sin masa y la fuerza electrodébil unificada.

El universo se expande y se enfría, y entonces viene el Higgs (que “engorda” los W y Z, y por alguna razón ignora el fotón) y de ello resulta que la simetría electrodébil se rompe.

Tenemos entonces una interacción débil, transportada por los vehículos de la fuerza W⁺, W^–, Z⁰, y por otra parte una interacción electromagnética, llevada por los fotones. Es como si para algunas partículas del campo de Higgs fuera una especie de aceite pesado a través del que se moviera con dificultad y que les hiciera parecer que tienen mucha masa.  Para otras partículas, el Higgs es como el agua, y para otras, los fotones y quizá los neutrinos, es invisible.

De todas formas, es tanta la ignorancia que tenemos sobre el origen de la masa que nos agarramos como a un clavo ardiendo, en este caso, a la partícula de Higgs, que algunos han llegado a llamar “la partícula divina”.

¡Ya veremos en qué termina todo esto!

                                    Sí, dudas hemos tenido todos

Hay otras muchas cuestiones de las que podríamos hablar y, la Física y la Astronomía, siendo mi gran Pasión, ocupa mucho de mi tiempo. La Física, amigos míos, nos dirá como es el “mundo” y digo mundo querinedo significar Naturaleza y Universo. La Física encierra una belleza…, que está presente en:

1. Una simetría unificadora.
2. La capacidad de explicar grandes cantidades de datos experimentales con las expresiones matemáticas más económicas.

El Modelo Estándar falla en ambos aspectos, mientras que la relatividad general los exhibe, ambos, de manera bien patente. Nunca una teoría dijo tanto con tan poco; su sencillez es asombrosa y su profundidad increíble.De hecho, desde que se publicó en 1.915, no ha dejado de dar frutos, y aún no se han obtenido de ella todos los mensajes que contiene.

emilio silvera

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