Señales de nueva física en el KEK

Hace unas semanas nos hacíamos eco de la noticia del cierre de la factoría de mesones B en el SLAC que trabajaba en el problema de la diferencia entre materia y antimateria en el universo. Esto es; cómo tuvo lugar, exactamente, la aniquilación de toda la antimateria creada en el Big Bang en igual cantidad que la materia que, desde entonces, domina el universo y constituye la sustancia de la que se componen estrellas y planetas . Pero, afortunadamente, tenemos otros laboratorios trabajando en este tema fundamental. Recientemente, los resultados proporcionados por un acelerador de partículas en Japón pueden apuntar a una nueva pista que parece no encajar en el Modelo Estándar de la física de partículas.

Tanto éste, como otros experimentos anteriores, habían sido capaces de observar una leve preferencia de la materia sobre la antimateria que incluso puede ser explicada en el marco del edificio teórico que es el Modelo Estándar (SM), donde se describe el proceso a través de la llamada violación CP (carga-paridad). Pero esta mínima diferencia está muy lejos de dar cuenta del enorme predominio que ha tenido la materia en el universo. Si sólo contáramos con el efecto del mecanismo propuesto en el SM, en el denso y primitivo universo debería existir casi la misma cantidad de materia que de antimateria. La mayor parte de esta antimateria debería haber colisionado con partículas de materia aniquilándose en una explosión que emitiría sus residuos en forma de radición. Este universo primitivo daría lugar a un universo bañado en radiación electromagnética, muy pobre en partículas de materia como electrones y protones, y que sería incapaz de formar estrellas o cualquier otro material más o menos denso.

¿Has visto ese lindo electrón?

Según pude leer por ahí, unos suecos afortunados han sido capaces de filmar por primera vez a un electrón. Si, no pongan cara de “menuda bola”, parece que es cierto, está publicado en la última edición del Physical Review Letters, y estos tíos no suelen dejar colar muchas bolas.

La imagen de arriba es una captura del video donde se pilla infraganti a la distribución energética de un electrón. Los que quieran ver el video lo pueden descargar en versión avi o mov. Para más información y más detalle: http://www.atto.fysik.lth.se/.

Superconductividad y efecto Meissner

El fenómeno físico de la superconductividad fue observado por vez primera en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes cuando estudiaba las propiedades de la materia a la temperatura del helio líquido, gas que el propio Onnes había conseguido licuar unos años antes. Lo que vio el holandés fue que, cuando una muestra de mercurio se enfriaba por debajo de una cierta Temperatura Crítica (para dicho metal T_c= 4,2K, casi 270 grados Celsius bajo cero), su resistencia eléctrica caía abruptamente hasta límites indetectables.

A partir de ese momento, se iniciaron diversos estudios relacionados con el descubrimiento de Onnes, y durante los años que siguieron se encontró que, además del mercurio, otros elementos metálicos, a temperaturas muy bajas (con sus T_c características), eran también superconductores. Hoy en día sabemos que existen muchos compuestos que presentan superconductividad a temperaturas “bastante” altas.

Pero, no sólo depende el fenómeno de la temperatura, el propio Onnes descubrió ya en 1913 que la superconductividad desaparece en presencia de un campo magnético externo lo  suficientemente elevado. Es decir, existe un H_c (campo crítico) por encima del cual el material pierde sus carateríscticas superconductoras. Sin embargo, como demostraron Meissner y Ochsenfeld en un experimento realizado en 1933, mientras no se alcance este campo crítico el campo magnético en el interior de un superconductor es siempre nulo, independientemente de si ha sido enfriado por debajo de su T_c en presencia o no de un campo magnético externo. Por tanto, los superconductores, además de conductores ideales, pueden considerarse diamagnéticos ideales. Este hecho sirve además como diferenciador entre un conductor perfecto (i.e., que tiene resistencia eléctrica nula) y un material superconductor (ver figura).

La escala de Planck

Y estaba el señor Max Planck en su sillón académico pensando; ¿por qué las constantes fundamentales de la Naturaleza como la velocidad de la luz, la constante gravitatoria de Newton y la constante fundamental de la teoría cuántica (que él mismo había descubierto) tienen valores tan complicados:

c = 2,99×10⁸ m s^-1 (velocidad de la luz)

G = 6,7×10^-11 m³ kg^-1 s^-2 (constante de la gravitación universal)

h = 6,34×10^-34 kg m² s^-1 (constante de Planck)

Veamos; hay tres unidades básicas que describen longitud, masa y tiempo (metro, kilogramo, segundo), y también tres constantes fundamentales. Pero, ¿existe un sistema de unidades en el que las tres constantes fundamentales de la física sean iguales a uno? Esto simplificaría mucho las ecuaciones. Vamos a ver…

 (calcular, calcular, calcular…)

Pues sí, existe:

Y qué valores tan inimaginables toman el tiempo y la longitud! Pero, en fin, llamaré a este sistema, el sistema de unidades naturales.

Hologramas dinámicos

Físicos estadounidenses acaban de crear un display holográfico capaz de mostrar imágenes tridimensionales cambiantes con el tiempo. El nuevo dispositivo, el primero basado en un material conocido como polímero fotorrefractivo, abre las puertas al desarrollo de pantallas dinámicas 3D de gran tamaño.

Holografía: para formar el holograma de una figura sólida necesitamos, en primer lugar, dividir  un haz de láser en dos; el llamado haz “objeto” y  el denominado “referente”. El haz objeto se dirige, obviamente, al objeto a renderizar, el cual dispersará la luz incidente que será recogida sobre una placa fotosensible situada a continuación. En esta placa, la luz difractada se combina con la del haz referente produciendo un patrón de interferencia que contiene toda la información 3D - esto es, fase y amplitud- del objeto. A continuación el patrón de interferencia deberá ser almacenado en un material adecuado.

Actualmente se dispone de una amplia variedad de materiales con los que formar hologramas estáticos, es decir, con la capacidad de almacenar toda la información necesaria -de hecho, podemos encontrar hologramas de casi cualquier tamaño, a todo color y con una alta resolución. Sin embargo, hasta la fecha no se había encontrado un material capaz de mostrar imágenes holográficas cambiantes.

Y es que Nasser Peyghambarian y sus colegas de la Universidad de Arizona, en colaboración con la Nitto Denko Technical Corporation de California, han creado una pantalla holográfica actualizable de 10 cm cuadrados y con una resolución cercana a la que ofrece un televisor estándar. Esta pantalla está compuesta de un polímero fotorrefractivo con el que se consigue que los portadores de carga móviles se acumulen sobre las franjas de luz y oscuridad del patrón de interferencia, creando un campo eléctrico que varía en el espacio. Este campo eléctrico obliga al índice refractario del polímero a ajustarse al patrón de interferencia, que puede permanecer grabado durante unas tres horas (o hasta que los portadores de carga son dispersados por un haz uniforme que funciona como borrador).

Imagen de un Molécula en 3D reproducida por el diplay holográfico

El siguiente paso, para el equipo de investigación norteamericano, es el desarrollo de displays mayores y la reducción del tiempo de escritura para conseguir la reproducción de video en 3D.

Traducido (libre e irresponsablemente) de physicsworld (by John Cartwright).

Letter que los investigadores enviaron a la Nature.

Más sobre el tema en ‘Ciencia al desnudo‘.

El problema de la medida en Mecánica Cuántica

El siguiente texto es un extracto de un trabajo que realicé para una asignatura de libre  configuración (”Historia del pensamiento científico y filosófico”). Lo siento, pero falta una mínima introducción (estoy un poco vago) y va a saco con el tema. A pesar de ello,  espero que sea de interés.

En la mecánica cuántica el proceso de medida siempre tienen un efecto sobre el objeto observado, de forma que es inútil atribuir propiedades a un sistema cuántico aislado: las propiedades físicas reales son poseídas sólo por el sistema formado por el objeto microscópico y el instrumento de medida. Esto, más o menos, es lo que nos viene a decir la interpretación de Copenhague. La complementariedad, hecho de que una medida destruya en general todo conocimiento de alguna otra propiedad de un sistema cuántico, y el indeterminismo, fueron tratados por Niels Bohr como aspectos fundamentales de la naturaleza; no podemos atribuir propiedades al objeto a menos que hayan sido medidas. Entonces podríamos preguntarnos cómo sabemos que existe un objeto cuántico en ausencia de toda medida: la respuesta es que no lo sabemos (uff!).

Einstein fue uno de los científicos más decisivos en el desarrollo de la teoría cuántica; no sólo su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico tuvo vital importancia, junto con el indio Bose, por ejemplo, desarrolló la primera estadística en la que los gases recibían un tratamiento puramente cuántico. Y es que Einstein fue un gran físico estadístico, y también aplicaría la estadística a sistemas cuánticos para sentar las bases teóricas que llevarían a la construcción del láser. Pero el carácter probabilístico que se había instaurando en la teoría cuántica le llevó a expresar sus reticencias. Nunca aceptó que una teoría en la que, por ejemplo, la predicción de la posición de un electrón en un instante dado no proporcionase un resultado único, sino sólo cierta probabilidad de encontrarlo en ese lugar y en ese instante, pudiera considerarse completa, para él no representa una descripción de la naturaleza aceptable. Einstein no conseguía admitir que fuera necesario renunciar a  la certidumbre: <<Dios no juega a los dados>> solía decir, y Bohr  le contestaría <<Einstein, deje de decirle a Dios lo que tiene que hacer>>.

Georges Charpak y el desarrollo de las cámaras proporcionales multihilos

Geroges Charpak nació en el seno de una familia judía en la antigüa ciudad polaca de Dabrowica en el año 1924, pero cuando el pequeño tenía siete años la familia Charpak decidió emigrar a Paris. Durante la Segunda Guerra Mundial se unió a la resistencia francesa, pero cayó prisionero en el 43 y al año siguiente fue deportado a un campo de concentración nazi en Dachau, donde permaneció hasta que fue liberado en 1945. En 1948 se graduó como ingeniero de minas y empezó a trabajar para el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). Recibió su doctorado en Física Nuclear en el College de France (Paris) en 1954, trabajando en el laboratorio Frédéric Joliot-Curie, y en 1959 se unió al staff del CERN (centro europeo de investigación nuclear) en Ginebra. Ya en 1984 consiguió un puesto de professor Joliot-Curie en la Escuela de Estudios Avanzados en Física y Química de Paris y, desde 1985, es miembro de la Academia de Ciencias Francesa. Por fin, en 1992 recibió el Nobel de física “por el invento y desarrollo de detectores de partículas, en particular la cámara multicable”. Véamos en qué consiste y cuál es la importancia de este invento.

El señor Charpak en la actualidad

Como sabréis el estudio de las reacciones entre partículas elementales proporciona el conocimiento de sus propiedades y de las fuerzas que actúan entre ellas. Estas reacciones son a menudo complejas, a veces varios cientos de partículas pueden crearse en una sola colisión y para interpretarlas los científicos necesitan registrar la trayectoria de cada una de las partículas involucradas. Hasta 1970 el registro se realizaba muchas veces utilizando medios fotográficos. Las imágenes se analizaban después con la ayuda de dispositivos de medida especiales, un proceso lento y laborioso. Pero gracias a Charpak y al uso de su cámara proporcional multihilos los físicos de hoy día pueden utilizar computadoras para filtrar todo ese ruido.

El invento de Charpak consiste en utilizar un desarrollo anterior, el contador proporcinal, de un modo no convencional. El contador proporcional clásico, como las cámaras Geiger-Müller, consiste en un cable delgado situado en el centro de un tubo de un centímetro de diámetro rellenado con un gas especial. Entre el cable y las paredes del tubo se aplica una diferencia de potencial de varios kilovoltios. Cuando una partícula cargada atraviesa el tubo ioniza el gas, es decir, libera electrones de los átomos del gas que ahora son iones positivos. En el capo eléctrico los electrones se desplazan hacia el cable central, que funciona entonces como un ánodo. En las proximidades del cable el campo eléctrico es muy intenso y provoca una rápida aceleración de los electrones, que ahora tienen la energía suficiente para ionizar más átomos y liberar más electrones, que vuelven a ser acelerados. Esto es, se produce un auténtico fenómeno de avalancha de electrones e iones que produce una señal eléctrica en el cable y la posición de las partículas cargadas puede ser determinada con una precisión de alrededor de un centímetro, el diámetro del tubo.

Esquema de un contador Geiger

Pero formar arrays, superficies extensas cubiertas con esos tubos proporcionales, no era nada práctico, y además la resolución espacial que permitían no era la adecuada. El gran salto adelante ocurrió con la invención de las cámaras proporcionales multihilos. Estas cámaras están formadas por un gran número de cables muy finos dispuestos paralelamente sobre un plano situado entre dos placas paralelas (los cátodos) separadas unos pocos centímetros. Los cables que sirven de ánodos tienen un diámetro de unas décimas de milímetro y están separados entre sí por una distancia de unos pocos milímetros.

Esquema de una cámara proporcional multihilos

Fue en 1968 cuando Charpak comprendió que cada uno de estos cables funcionaría como un contador proporcional ofreciendo una resolución espacial de, por lo menos,un milímetro. Cada una de las líneas de cable podía recoger el paso de un alto número de partículas, del orden varios cientos por segundo, lo que por entonces suponía una tasa excepcionalmente alta. Pero es que además cada cable se podía conectar a un amplificador de señal (algo que sólo ha sido posible gracias a los avances en electrónica que permitieron el desarrollo de amplificadores compactos con muy bajos requerimientos de potencia) y conseguir así llevar las señales registradas y amplificadas a sistemas informáticos que permitieran tratarlas y almacenar una gran cantidad de datos.

Hoy día prácticamente cualquier experimento de física de partículas utiliza algún tipo de detector de traza desarrollado a partir de la idea original de Charpak. Por ejemplo, en el experimento que produjo el descubrimiento del quark c (la c es de charm, i.e., el quark con encanto o quark encantado, jaja) en 1974, éxito que fue reconocido con el Nobel de física para B. Richter y S. Ting, se utilizaron muchas de las nuevas cámaras proporcionales multihilos. Y lo mismo sucedió con el que daría lugar al descubrimiento de los bosones intermediarios (responsables de transmitir la interacción débil) en el CERN en 1983, llevándose esta vez el premio gordo C. Rubbia y S. Van der Meer.