sábado, 12 de junio del 2021 Fecha
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Engañosa perfección

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

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 Resultado de imagen de El ajuste fino del Modelo EstándarResultado de imagen de El ajuste fino del Modelo Estándar

El modelo estándar es una poderosa herramienta pero no cumple todas las expectativas; no es un modelo perfecto. En primer lugar, podríamos empezar por criticar que el modelo tiene casi veinte constantes que no se pueden calcular. Desde luego, se han sugerido numerosas ideas para explicar el origen de todos estos parámetros o números inexplicables y sus valores, pero el problema de todas estas teorías es que los argumentos que dan nunca han sido enteramente convincentes. ¿Por qué se iba a preocupar la naturaleza de una fórmula mágica si en ausencia de tal fórmula no hubiera contradicciones? Lo que realmente necesitamos es algún principio fundamental nuevo, tal como el principio de la relatividad, pero no queremos abandonar todos los demás principios que ya conocemos. Ésos, después de todo, han sido enormemente útiles en el descubrimiento del modelo estándar. El mejor lugar para buscar un nuevo principio es precisamente donde se encuentran los puntos débiles de la presente teoría.

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Una regla universal en la física de partículas es que para partículas con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructuras cada vez más pequeñas en el espacio y en el tiempo.

Resultado de imagen de La cuantica y las estructuras más pequeñasResultado de imagen de Partículas  WIMP’s teoría de la Fisica

El modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aún más pequeñas. Pero existen varias razones para sospechar que sus predicciones pueden, finalmente (cuando podamos emplear más energía en un nivel más alto), resultar equivocadas.

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Vistas a través del microscopio, las constantes de la naturaleza parecen estar cuidadosamente ajustadas sin ninguna otra razón aparente que hacer que las partículas parezcan lo que son. Hay algo muy erróneo aquí. Desde un punto de vista matemático no hay nada que objetar, pero la credibilidad del modelo estándar se desploma cuando se mira a escalas de tiempo y longitud extremadamente pequeñas, o lo que es lo mismo, si calculamos lo que pasaría cuando las partículas colisionan con energías extremadamente altas. ¿Y por qué debería ser el modelo válido hasta aquí?

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Podrían existir muchas clases de partículas súper pesadas que no han nacido porque se necesitan energías aún inalcanzables. ¿Dónde está la partícula de Higgs? ¿Cómo se esconde de nosotros el gravitón?

Resultado de imagen de Ajuste de las constantes de la naturalezaResultado de imagen de Ajuste de las constantes de la naturaleza

Si deseamos evitar la necesidad de un delicado ajuste de las constantes de la naturaleza, creamos un nuevo problema: ¿Cómo podemos modificar el modelo estándar de tal manera que el ajuste fino no sea necesario? Está claro que las modificaciones son necesarias, lo que implica que muy probablemente haya un límite más allá del cual el modelo tal como está deja de ser válido. El modelo estándar no será nada más que una aproximación matemática que hemos sido capaces de crear, de forma que todos los fenómenos que hemos observado hasta el presente están reflejados en él, pero cada vez que se pone en marcha un aparato más poderoso, tenemos que estar dispuestos a admitir que puedan ser necesarias algunas modificaciones del modelo para incluir nuevos datos que antes ignorábamos.

Más allá del modelo estándar habrá otras respuestas para preguntas que, en este momento, no sabemos ni plantear.

Resultado de imagen de Suspendida construcción del super-colisionador superconductorResultado de imagen de Suspendida construcción del super-colisionador superconductor

Quedó abandonado con miles de dolores enterrados

El gobierno de Estados Unidos, después de llevar gastados miles de millones de dólares, suspendió la construcción del supercolisionador superconductor de partículas asestando un duro golpe a la física de altas energías, y se esfumó la oportunidad para obtener nuevos datos de vital importancia para el avance de este modelo, que de momento es lo mejor que tenemos.

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Se han estado inventando nuevas ideas, como la supersimetría y el technicolor. Los astrofísicos estarán interesados en tales ideas porque predicen una gran cantidad de nuevas partículas superpesadas, y también varios tipos de partículas que interaccionan ultradébilmente, los technipiones. Éstas podrían ser las WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles, o Partículas Masivas Débilmente Interactivas) que pueblan los huecos entre las galaxias, y serían así las responsables de la masa perdida que los astrofísicos siguen buscando y llaman materia oscura.

Paul Dirac se sintió muy incómodo cuando en 1931 dedujo, a partir de su ecuación del electrón, que debería existir una partícula con carga eléctrica opuesta. Esa partícula no había sido descubierta y le daba reparo perturbar la paz reinante en la comunidad científica con una idea tan revolucionaria, así que disfrazó un poco la noticia: “Quizá esta partícula cargada positivamente, tan extraña, sea simplemente el protón”, sugirió. Cuando poco después se identificó la auténtica antipartícula del electrón (el positrón) se sorprendió tanto que exclamó: “¡Mi ecuación es más inteligente que su inventor!”. Este último comentario es para poner un ejemplo de cómo los físicos trabajan y buscan caminos matemáticos mediante ecuaciones de las que, en cualquier momento (si están bien planteadas), surgen nuevas ideas y descubrimientos que ni se podían pensar. Así pasó también con las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, donde Schwarzschild dedujo la existencia de los agujeros negros.

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Se piensa que al principio del comienzo del tiempo, cuando surgió el Big Bang, las energías eran tan altas que allí reinaba la simetría total; sólo había una sola fuerza que todo lo englobaba. Más tarde, a medida que el universo se fue expandiendo y enfriando, surgieron las cuatro fuerzas que ahora conocemos y que todo lo rigen.

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Tenemos los medios, en los super-colisionadores de partículas, para viajar comenzando por 1.000 MeV, hasta finalizar en cerca de 1019 MeV, que corresponde a una escala de longitudes de aproximadamente 10-30 cm. Howard Georgi, Helen Quinn y Steven Weinberg descubrieron que ésta es la región donde las tres constantes de acoplamiento gauge se hacen iguales (U(1), SU(2) y SU(3)); resultan ser lo mismo. ¿Es una coincidencia que las tres se hagan iguales simultáneamente? ¿Es también una coincidencia que esto suceda precisamente en esa escala de longitud? Faltan sólo tres ceros más para alcanzar un punto de retorno que ya comentaremos. Howard Georgi y Sheldon Glashow descubrieron un modelo genuinamente unificado en el dominio de energías de 1019 MeV tal que, cuando se regresa de allí, espontáneamente surgen las tres fuerzas gauge tal como las conocemos. De hecho, ellos encontraron el modelo; la fórmula sería SU(5), que significa que el multiplote más pequeño debe tener cinco miembros.

Tamaño de Resultado de imágenes de EL Físico G. Glashow.: 216 x 160. Fuente: www.elmundo.es

El boson X predicho por Georgi-Glashow daría lugar a transiciones a través de masa que deben estar en la región de 1019 MeV. Una peculiaridad de este bosón X es que puede transformar los quarks en leptones e incluso en anti-quarks.

Y, a todo esto, ¿dónde está esa energía oculta? ¿Y donde la materia? Podemos suponer que la primera materia que se creo en el Universo fue la que llamamos “Materia Oscura” (mejor sería llamarla invisible), ya que, de no ser así, difícil sería explicar cómo se pudieron formar las primeras estrellas y galaxias de nuestro Universo, ¿dónde está el origen de la fuerza de Gravedad lo hizo posible, sino en esa materia escondida?

¡Lo dicho! Necesitamos saber, y, deseo que de una vez por todas, se cumpla lo que dejó dicho Hilbert en su tumba de Gotinga (Alemania).

¡Que sea pronto!

emilio silvera

La Tecnología de Vacío en la simulación Espacial

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en General    ~    Comentarios Comments (0)

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De Jesús Manuel Sobrado y José Ángel Martín-Gago

Resultado de imagen de La Tierra está rodeada de vacío

La Tierra está rodeada, esencialmente, de vacío. Por tanto, una de las formas de profundizar en el conocimiento del espacio es mediante la utilización de equipos de vacío. No sólo se trata de comprender el funcionamiento de los cuerpos celestes o de los procesos que ocurren en el espacio sino también en la superficie de muchos de los planetas, incluyendo las capas altas de la atmósfera terrestre. Un sistema de vacío puede ser un entorno adecuado donde recrear diferentes ambientes espaciales controlando algunos de los parámetros físicos del sistema (como presión total, composición de los gases, radiación, temperatura…). La simulación espacial utilizando equipos de vacío es una poderosa herramienta para preparar misiones espaciales, interpretar datos de las mismas o simplemente para investigar cómo se comporta la materia en esas condiciones.

1. Introducción

Resultado de imagen de el lanzamiento del primer satélite Sputnik

Con el lanzamiento del primer satélite Sputnik [1] comienza una nueva era tecnológica que ha permitido a la humanidad explorar el universo físicamente [2]. Este año se ha cumplido el 40 aniversario de la llegada del hombre a la Luna. Del fruto de este empeño y de otros de la misma naturaleza, como fue el primer la puesta en marcha del proyecto internacional común para la construcción de la estación espacial internacional, la sociedad ha obtenido un elevado beneficio tecnológico.

Resultado de imagen de Neil Armstrong  en la Luna

Podemos afirmar que la frase pronunciada por Neil Armstrong cuando pisó Luna se ha hecho realidad: “Este es un pequeño paso para el hombre, pero un gran paso para la humanidad”.

La ventana abierta hacia el espacio nos acerca al conocimiento que tenemos sobre nosotros mismos. No olvidemos que formamos parte del sistema solar en el planeta Tierra y que estamos, por tanto, rodeados de vacío, en medio de fuerzas gravitatorias y electromagnéticas, que convierten nuestro planeta en una maravillosa perla azul en un vasto territorio negro. (En 1990, en la misión “Voyager”, Carl Sagan, insistió antes de que la sonda abandonase el sistema solar, que tomase fotografías de la tierra vista desde el exterior.

Resultado de imagen de Neil Armstrong  en la Luna

Las imágenes tardaban 5 horas y media en ser recibidas en la Tierra) [3]. Fruto de esta necesidad de conocimiento surge el planteamiento de buscar nuevas formas de conocer el espacio que nos rodea. El espacio está esencialmente vacío.

Parece por tanto evidente, que los avanzados sistemas de vacío actuales puedan ayudarnos a comprender mejor los procesos y mecanismos que ocurren fuera de la atmósfera terrestre.

No sólo en el espacio interestelar, sino también sobre la superficie de muchos de los planetas y objetos celestes en los que su presión atmosférica sea menor que la terrestre. Así, un sistema de vacío puede ser un entorno adecuado donde recrear diferentes ambientes espaciales, controlando algunos de los parámetros físicos del sistema para poder aprender sin necesidad de desplazarnos materialmente.

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15 años mostrando la belleza de Marte

“La sonda espacial ha contribuido significativamente en el estudio del planeta rojo; sus hallazgos sentaron las bases para las misiones de detección de signos de vida, como las dos misiones del programa ExoMars de la ESA.”

 

Las misiones espaciales presentan un número elevado de inconvenientes. Una de las principales críticas que han recibido siempre es su elevado coste. Por ejemplo, una misión “económica” a Marte, como pudo ser la Mars Express, tuvo un costo aproximado de unos 1000 millones de euros. Otro inconveniente es el largo tiempo necesario para realizarlas, ya que desde que una misión se concibe en los despachos hasta que se concluye pasa más de una década. Parece por tanto necesario asegurar todos los parámetros y, para ello, probar y calibrar lo mejor posible y en las mismas condiciones de operación, la instrumentación de la misión. Este es el marco en el que hay que entender la simulación en sistemas de vacío. Como una plataforma que nos permita reproducir condiciones planetarias e interestelares. Esta simulación tiene, por tanto, un doble objetivo. Por una parte preparar las misiones espaciales y, por otra, ayudar a entender los resultados obtenidos por las mismas.

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La simulación de un problema complejo permite acotar y separar de forma controlada las variables relevantes de un sistema aislado. Es una manera de resolver pequeños problemas obteniendo valiosa información sobre el funcionamiento de sistemas en condiciones muy especificas. De este modo se van creando parámetros o esquemas de comportamiento que son fácilmente reproducibles, si se respetan todas las variables iníciales. Es importante conocer las limitaciones de la simulación. Al realizar la simulación en la Tierra, son dos normalmente los factores limitantes, las dimensiones de la cámara de vacío y la gravedad [4]. Este último es el menos relevante, ya que en la simulación de atmósferas o superficies planetarias, la gravedad es un factor existente que no determina las condiciones climatológicas de la atmósfera.

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Sin embargo las dimensiones si son importantes, ya que limitan las diferentes gradientes de presión y temperatura, así como los niveles de radiación en función de la altura a la superficie. El volumen interno de una cámara así como la superficie interna limitan la transferencia de energía (calor), y por tanto la homogeneidad del sistema. En este trabajo vamos a describir como recrear distintos ambientes espaciales y planetarios mediante el uso de entornos de vacío. Daño del ADN por la radiación espacial, estabilidad de fases cristalinas de minerales en la superficie de Marte, comportamiento de sensores frente al polvo marciano o supervivencia de esporas en un viaje especial o superficie planetaria, son algunos ejemplos de una interminable lista de temas interdisciplinar que se pueden estudiar en equipos de simulación.

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Veremos cuáles son los parámetros importantes para reproducir una atmósfera planetaria en un laboratorio, o para poder estudiar los hielos que se forman en el medio interestelar denso. Estas ideas se han materializado en la creación de una serie de máquinas de vacío que describiremos y que están operativas dentro de la unidad de simulación de ambientes planetarios y microscopía del Centro de Astrobiología [5]. 2. La simulación espacial y de atmósferas planetarias Planetas con atmósferas singulares, residuos de explosión de estrellas, espacio profundo o la entrada de meteoritos en una atmósfera planetaria, son algunos de los objetos y procesos que ocurren en el espacio. Un entorno espacial se puede caracterizar en función de muchos parámetros, que cruzados dan como resultado la recreación de un sistema concreto. Las principales variables que definen un sistema de simulación en un entorno espacial son la presión total, la composición de gases, la temperatura local o en la superficie de objetos planetarios, la temperatura ambiental, y la radiación recibida.

Resultado de imagen de Cámara de Gravedad

Estas variables son muy generales. Para poder implementar una instrumentación adecuada que responda a un determinado problema, es necesario conocer su rango de variación [6]. A partir de este dato se desarrolla la tecnología necesaria para poder controlar y monitorizar estas variables en un entorno de vacío. Vamos a hacer un repaso de los rangos de cada una de ellas y del tipo de instrumentación que deberíamos utilizar en cada caso.

Planetas con atmósferas singulares, residuos de explosión de estrellas, espacio profundo o la entrada de meteoritos en una atmósfera planetaria, son algunos de los objetos y procesos que ocurren en el espacio. Un entorno espacial se puede caracterizar en función de muchos parámetros, que cruzados dan como resultado la recreación de un sistema concreto. Las principales variables que definen un sistema de simulación en un entorno espacial son la presión total, la composición de gases, la temperatura local o en la superficie de objetos planetarios, la temperatura ambiental, y la radiación recibida.

Estas variables son muy generales. Para poder implementar una instrumentación adecuada que responda a un determinado problema, es necesario conocer su rango de variación [6]. A partir de este dato se desarrolla la tecnología necesaria para poder controlar y monitorizar estas variables en un entorno de vacío. Vamos a hacer un repaso de los rangos de cada una de ellas y del tipo de instrumentación que deberíamos utilizar en cada caso.

La presión atmosférica
Resultado de imagen de Simulación de la presión atmósferica

Puesto que vamos a utilizar para la simulación sistemas de vacío, la presión total debe de ser menor que la presión atmosférica. Esta es la primera limitación, que excluye automáticamente el estudio de planetas como Venus, cuya presión en la superficie es unas 90 veces mayor que la de la Tierra [7]. Estos planetas, así como el interior de océanos y mares de hielo que puedan existir en objetos planetarios como Europa (luna de Júpiter), deben de estudiarse mediante cámaras de alta presión, que incorporan una tecnología completamente distinta.

Es muy difícil dar valores precisos para la presión total en diferentes entornos planetarios o interestelares, y de hecho se encuentra frecuentemente bibliografía contradictoria. No obstante intentaremos dar algunas estimaciones y sobre todo, los rangos aproximados de estos parámetros para algunos entornos espaciales.

El espacio interplanetario

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En el espacio interplanetario, por ejemplo, la presión viene determinada por el viento solar y por moléculas provenientes de las atmósferas de los distintos cuerpos celestes que lo pueblan, como cometas, o planetas. En física del espacio se suele utilizar la presión dinámica, que se define como:

P = densidad en partículas por cm
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Esta fórmula, aplicada para el viento solar en las inmediaciones de la Tierra, que tiene un número de partículas aproximadas de 4 por cm como del orden de vacío es el Pascal, 1 mbar se empleaba el Torr, como homenaje a Evangelista Torricelli. 1 mbar = 0,75 Torr [mm Hg]. Nosotros en este trabajo utilizaremos el mbar, que aunque no es la unidad en el sistema internacional, es la utilizada mayoritariamente por la comunidad científico-tecnológica en equipos de alto y ultra alto vacío).

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El viento solar lo forman protones, partículas alfa, iones pesados y electrones, que fluyen desde la superficie del Sol con velocidades de hasta 800 Km/s. Como el viento solar es un plasma, este lleva consigo parte del campo magnético solar, por lo que las partículas de viento solar que son atrapadas en el campo magnético terrestre provocan entre otras cosas las auroras boreales y australes cuando chocan con la atmósfera terrestre cerca de los polos. Sabemos que el borde del sistema solar lo forma la burbuja del viento solar en el medio interestelar.

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En el punto en el que el viento solar no ejerce presión para desplazar el medio interestelar, se considera que es el borde más exterior del sistema solar [8].

Si nos acercamos a algún cuerpo celeste, es la emisión de gases del mismo la que limita la presión total. Así, por ejemplo, cerca de la estación espacial internacional la presión viene determinada por los propios gases de la estación y otras partículas atrapadas por el campo gravitatorio de la misma, siendo esta del orden de Fuera del espacio interplanetario, en donde las temperaturas son muy bajas y la densidad molecular prácticamente inexistente, el concepto de presión deja de tener sentido. Sin embargo, encontramos zonas del espacio interestelar, las llamadas nubes de polvo, en las que se detecta acumulación de material.