lunes, 29 de mayo de 2017

Arranca la nueva temporada de física en el LHC

El LHC o gran colisionador de hadrones del CERN, en la frontera franco-suiza, comenzó este martes a funcionar, permitiendo a los experimentos tomar datos por primera vez en 2017. Las operaciones comienzan gradualmente, primero con solo unos pocos paquetes de protones en los haces. El equipo que controla el acelerador de partículas más potente del mundo incrementará progresivamente el número de protones que circulan por el anillo del LHC, y reducirá el tamaño de los haces en los puntos de interacción. En pocas semanas, se producirán más de mil millones de choques cada segundo en los experimentos.

El año pasado, el LHC produjo una cantidad impresionante de datos, unos 6,5 billones de colisiones, lo que representa una luminosidad integrada de unos 40 femtobarns inversos. La luminosidad, que corresponde al número de colisiones por unidad de superficie en un periodo determinado, es un indicador crucial del funcionamiento de un acelerador. En 2017, los operadores esperan obtener la misma cantidad de colisiones que en 2016 pero en un periodo inferior, puesto que el LHC ha arrancado un mes más tarde debido a la extensión de la parada técnica anual.

“En los primeros dos años de operaciones a una energía de 13 teraelectronvoltios (TeV) hemos conseguido entender muy bien cómo funciona el LHC, lo que nos permite optimizar más su operación en el tercer año”, dice Frédérick Bordry, director de Aceleradores y Tecnología del CERN. “Nuestro objetivo es incrementar la luminosidad y mantener la excelente disponibilidad del LHC, lo que sería un gran logro”.

La física de partículas se basa en el análisis estadístico de varios fenómenos, por lo que el tamaño de las muestras es esencial. En otras palabras, cuanto mayor es el número de colisiones que revela un cierto fenómeno, más fiable es el resultado. Los experimentos tratan de aprovechar la gran cantidad de datos proporcionada por el LHC para continuar su exploración de la física a la mayor energía jamás alcanzada por un acelerador de partículas.

“Los experimentos del LHC están preparados para doblar sus estadísticas comparadas con las que obtuvieron en 2016 a 13 TeV. Gracias a los nuevos datos, serán capaces de reducir las incertidumbres que rodean sus observaciones cada vez que entramos en un territorio inexplorado”, dice Eckhard Elsen, director de Investigación y Computación.

Los equipos de investigación del LHC trabajan en dos grandes áreas: mejorar su conocimiento de fenómenos conocidos y explorar lo desconocido. El fenómeno conocido es el modelo estándar de física de partículas, una teoría que comprende todo nuestro saber actual sobre las partículas elementales. El bosón de Higgs, descubierto en 2012, juega un papel crucial en este modelo. Es una partícula escalar, en lo fundamental distinta al resto de partículas elementales.

En 2017, los experimentos ATLAS y CMS continuarán trabajando en determinar las características de esta partícula. Estos dos detectores gigantes de propósito general observarán sus modos de desintegración y cómo interactúa con otras partículas. Sus medidas podrían proporcionar indicios de ‘nueva física’ más allá del modelo estándar. Los experimentos llevarán a cabo medidas precisas de otros procesos del modelo estándar, en particular los relacionados con el quark top, la partícula elemental más pesada.

Los físicos esperan ser capaces de identificar discrepancias entre sus medidas y el modelo estándar. Esta es una de las formas de explorar lo desconocido. Aunque describe de forma precisa muchos de los fenómenos de lo infinitamente pequeño, el modelo deja muchas cuestiones sin responder. Por ejemplo, describe solo el 5% del Universo; el resto está formado por materia y energía oscuras, cuya naturaleza es todavía desconocida. Cada discrepancia con respecto a la teoría podría llevar hacia otros marcos teóricos de nueva física que podrían resolver las cuestiones que surgen.

ATLAS, CMS y LHCb miden procesos de forma precisa para detectar anomalías. Los dos primeros buscan también nuevas partículas como las predichas por la supersimetría, que podrían ser los componentes de la materia oscura.

Por su parte, LHCb se interesa también por el desequilibrio entre materia y antimateria. Ambas se debieron crear en cantidades iguales en el Big Bang, pero la antimateria ha desaparecido prácticamente del Universo. LHCb estudia el fenómeno conocido como “violación de carga-paridad”, que se cree está detrás de este desequilibrio.

Este año no se producirán choques entre iones de plomo, en cuyo estudio está especializado el experimento ALICE, que continuará analizando los datos de 2016 y registrará colisiones entre protones que también permiten estudiar la fuerza fuerte. El experimento anunció recientemente la observación de un estado de la materia parecido al plasma de quarks y gluones (el estado de la materia que existió unos pocos milisegundos después del Big Bang) en los choques de protones de 2016.

Finalmente, también están programados varios días de funcionamiento del LHC con haces ‘descomprimidos’ para los experimentos TOTEM y ATLAS/ALFA. (Fuente: CPAN)

jueves, 9 de marzo de 2017

Se hallan unas "gemelas" de las galaxias primigenias que permiten estudiar las etapas iniciales de la formación galáctica

Un equipo internacional de astrónomos ha descubierto una población de minúsculas galaxias recién nacidas a más de once mil millones de años luz de distancia, que arrojan nueva luz sobre las primeras etapas de formación de galaxias. Aunque raros, estos objetos revelan con un detalle sin precedentes las condiciones que existían en la época de formación de las primeras galaxias, formadas pocos cientos de millones de años después del Big Bang.

En astrofísica, mirar lejos equivale a mirar al pasado. De la misma manera que la luz del Sol tarda ocho minutos en alcanzarnos (y, por lo tanto, vemos el Sol cuando era ocho minutos más joven), si observamos a grandes distancias estaremos estudiando épocas pasadas. Y en las últimas décadas, los astrónomos han conseguido penetrar en lo que se conoce como "edades oscuras", un período correspondiente a los primeros setecientos millones de años después del Big Bang y en el que las primeras galaxias, muy débiles, se hallaban envueltas en hidrógeno neutro, un gas que aumenta la opacidad del medio.

Precisamente, ese gas opaco ha impedido realizar estudios detallados de estas galaxias con los observatorios actuales y, como resultado, el nacimiento y las primeras fases del crecimiento de las galaxias no han podido ser estudiadas en detalle.

Para identificar y estudiar las propiedades de estas galaxias primigenias, un equipo internacional de astrónomos ha adoptado un enfoque diferente. El equipo presenta el descubrimiento de galaxias nacientes observadas en un momento cósmico posterior, solo mil millones de años después del final de las edades oscuras, cuando el universo contaba con un 5% de su edad actual.

Al hallarse más próximas y en un entorno limpio de la "niebla" circundante, estas galaxias son más fáciles de estudiar en detalle. "Por primera vez, podemos observar una población de galaxias recién nacidas extremadamente jóvenes, que presentan todas las propiedades que se espera sean ubicuas en galaxias normales en tiempos mucho más antiguos", indica Ricardo Amorín (INAF/Universidad de Cambridge), investigador que encabeza el estudio

Las diez galaxias análogas a las galaxias primigenias halladas en el estudio. (Imagen: IAA)

Los datos obtenidos revelan que las galaxias son muy ricas en gas ionizado, "con muy pocas cantidades de polvo y elementos pesados, como el carbono y el oxígeno, que son liberados por estrellas masivas y calientes de corta vida", señala Enrique Pérez Montero, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) (España) que participa en la investigación.

Estas estrellas serían las responsables de ionizar el gas circundante, y quizá también del fin de las edades oscuras: las estrellas masivas terminan su vida en explosiones de supernova, que producen grandes flujos de gas que, por un lado, "contaminaron" el universo con los elementos pesados formados en sus núcleos y, por otro, desplazaron el hidrógeno neutro y fueron creando halos ya transparentes.  

Así, este estudio, que ha analizado más de dos mil galaxias y ha hallado diez de estas galaxias primigenias, ha capturado lo que parece ser uno de los primeros episodios masivos de formación estelar del universo. Estas galaxias son unas treinta veces más pequeñas y unas cien veces menos masivas que la Vía Láctea, con formas compactas e irregulares que en algunos casos se asemejan a renacuajos y pares de galaxias en proceso de fusión.

El hallazgo, publicado en la revista Nature Astronomy, ha sido posible gracias a un gran esfuerzo de observación, coordinado desde el Sondeo Ultraprofundo VIMOS desarrollado en el Very Large Telescope (VLT/ESO), que también incluye imágenes obtenidas por telescopio espacial Hubble (NASA/ESA). (Fuente: IAA)

martes, 31 de enero de 2017

Resuelven un misterio sobre los vientos en Júpiter

Los vientos arremolinados de Júpiter, que arrastran masas de gas multicolor y a los que se conoce como “chorros”, han intrigado desde hace mucho tiempo a los astrónomos. Uno de los misterios ha sido si los chorros existen solo en la atmósfera superior del planeta (de manera parecida a las corrientes en chorro de la propia Tierra) o si se zambullen en el interior gaseoso más denso de Júpiter. Esto último podría revelar pistas sobre la estructura interior y la dinámica interna del planeta.

Ahora, el equipo del geofísico Jonathan Aurnou, de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), Estados Unidos, y sus colaboradores en Marsella, Francia, han simulado por vez primera chorros de Júpiter en el laboratorio. Su trabajo demuestra que los vientos se extienden probablemente a lo largo de miles de kilómetros bajo la atmósfera visible del planeta.

Ya había modelos digitales simulándolo, pero era necesario recrear el proceso de manera material, aunque fuese a escala ínfima.

La dificultad en la recreación de vientos en forma de remolino en el laboratorio radicaba en construir un modelo de un planeta con tres atributos clave que, por lo que se sabe, son necesarios para que se formen los chorros: una rotación rápida, turbulencia y un “efecto curvatura” que imite la forma esférica de un planeta. Los anteriores intentos de crear chorros en un laboratorio fallaban a menudo porque los investigadores no podían hacerlos girar lo bastante rápido o crear suficiente turbulencia.

Una vista del polo sur de Júpiter (arriba a la izquierda y abajo a la derecha) y resultados de laboratorio del nuevo modelo de los vientos del planeta (arriba a la derecha y abajo a la izquierda). (Imagen: Jonathan Aurnou)

El equipo de Aurnou espera ensayar sus predicciones con datos reales procedentes de Júpiter, y no tendrán que esperar mucho: la sonda Juno de la NASA está orbitando el planeta ahora mismo, recogiendo datos sobre su atmósfera, campo magnético e interior.

viernes, 11 de noviembre de 2016

¿Hacia las computadoras basadas en el ADN?

Unos investigadores han logrado conducir electricidad usando nanohilos basados en el ADN, el material del que están hechos los planos de construcción de los seres vivos, por así decirlo.

Más diminutos que el virus del SIDA; esa es la circunferencia de los transistores más pequeños. La industria ha miniaturizado los componentes básicos de sus chips de ordenador hasta los 14 nanómetros en los últimos 60 años. Los métodos convencionales, sin embargo, están alcanzando los límites físicos. Investigadores de todo el mundo están buscando alternativas. Una podría ser la autoorganización de componentes complejos de moléculas y átomos. Unos investigadores del Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR) en Alemania, y la Universidad de Paderborn en el mismo país, han hecho ahora un importante avance: estos físicos condujeron una corriente a través de nanohilos dorados, que se formaron de manera autónoma mediante ensamblaje de hebras de ADN.

A primera vista, se parecen a líneas agusanadas frente a un fondo negro. Pero lo que el microscopio electrónico muestra de cerca es que las estructuras de tamaño nanométrico conectan dos contactos eléctricos.

Las mediciones hechas por el equipo de Artur Erbe, del Instituto de Física de Rayos Iónicos e Investigación de Materiales, dependiente del HZDR, muestran que se conduce una corriente eléctrica a través de estos diminutos hilos.

                                         Nanohilos dorados basados en el ADN. (Imagen: HZDR)

Erbe y sus colegas están aún en la fase de investigación básica, razón por la cual están usando oro en vez de un metal más barato. A pesar de todo, ya es mucho lo que han logrado hasta ahora; su trabajo ha abierto las puertas hacia un posible futuro en el que existan dispositivos electrónicos basados en el ADN, tal como cree Erbe que ocurrirá.

martes, 11 de octubre de 2016

Intentarán detectar materia oscura recreando un pequeño magnetar artificial

Unos físicos proponen un nuevo experimento para detectar una hipotética partícula elemental, el axión, que según algunas teorías constituiría la identidad secreta de la materia oscura. Si tiene éxito, la iniciativa podría solucionar uno de los misterios sin resolver más desconcertantes en física de partículas, así como aportar finalmente un conocimiento somero de la naturaleza de la materia oscura.

Los axiones son partículas elementales hipotéticas. Una de las características que se les atribuye, figurar entre las partículas más ligeras del universo, justificaría que resulten virtualmente indetectables.

Si existen, los axiones y otras partículas comparables, aún no observadas, podrían dar forma al 80 por ciento de la materia que hay en el universo, un porcentaje que corresponde a la enigmática materia oscura.

El equipo de Jesse Thaler y Benjamin Safdi, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, y Yonatan Kahn (ahora en la Universidad de Princeton del mismo país), han ideado un experimento para detectar los axiones simulando un fenómeno astrofísico extremo conocido como magnetar (un tipo de estrella de neutrones que genera un campo magnético colosal). Estos físicos razonaron que en presencia de un axión, tal enorme campo magnético debería oscilar, muy ligeramente pero produciendo un segundo campo magnético, el cual, aun siendo muchísimo más pequeño, actuaría a modo de huella delatadora del axión.

La recreación del magnetar se podría hacer en un entorno de laboratorio controlado, usando tecnología adoptada de la técnica de visualización por resonancia magnética (MRI por sus siglas en inglés).

El diseño básico externo del experimento ABRACADABRA. (Imagen: Daniel Winklehner)


El núcleo del experimento consiste en una serie de bobinas magnéticas, enrolladas en forma de toroide, o donut, el cual es después encerrado en una capa de metal superconductor y mantenido en un refrigerador a temperaturas apenas por encima del Cero Absoluto (unos 272 grados centígrados bajo cero), para minimizar el "ruido" exterior. Los científicos planean usar un magnetómetro muy sensible, situado dentro del agujero del donut, para detectar cualquier señal de la influencia de los axiones.

Al experimento propuesto se le ha dado el nombre de ABRACADABRA (por las siglas en inglés de "A Broadband/Resonant Approach to Cosmic Axion Detection with an Amplifying B-field Ring Apparatus"). La palabra mágica por excelencia, "abracadabra", pasará pues a tener un significado adicional, esta vez en la ciencia.

martes, 30 de agosto de 2016

Confirman el aparente hallazgo de una quinta fuerza de la naturaleza

Unos descubrimientos recientes que indican el posible descubrimiento de una partícula subatómica previamente desconocida podrían ser la prueba de que existe una quinta fuerza fundamental de la naturaleza, según una nueva investigación.

Después de tanto tiempo asumiendo que son cuatro las fuerzas fundamentales (gravitación, electromagnetismo, y las fuerzas nucleares fuerte y débil), ahora parece que se ha descubierto una quinta. Si experimentos adicionales confirman su existencia, este descubrimiento cambiaría completamente nuestra comprensión del universo, con consecuencias para las teorías de unificación de las fuerzas y para las teorías sobre la identidad de la materia oscura, tal como subraya Jonathan Feng, coautor de la citada investigación y profesor de física y astronomía en la Universidad de California en Irvine, Estados Unidos.

Feng y sus colegas encontraron la pista inicial en un estudio de mediados de 2015, realizado por físicos nucleares experimentales de la Academia Húngara de Ciencias, que estaban buscando “fotones oscuros”, partículas que representarían a la invisible materia oscura, la cual constituye el 85 por ciento de la masa del universo. El trabajo de esos investigadores húngaros puso de manifiesto una anomalía en la desintegración radiactiva que apunta a la existencia de una partícula ligera, que solo sería unas 30 veces más pesada que un electrón.

Esos científicos no pudieron determinar que se tratase de una nueva fuerza. Simplemente vieron un exceso de eventos de partículas que indicaban la acción de una nueva, pero no estaba claro para ellos si era una partícula de materia o una partícula portadora de fuerza
Si experimentos adicionales lo confirman, este descubrimiento de una posible quinta fuerza cambiaría completamente nuestra comprensión del universo, en palabras del profesor Jonathan Feng, incluyendo aquello que mantiene compactas a las galaxias, como esta espiral llamada NGC 6814. (Foto: ESA/Hubble & NASA; Judy Schmidt)
Feng y sus colegas estudiaron los datos de los investigadores húngaros así como todos los experimentos anteriores en este campo y han llegado a la conclusión de que las evidencias no respaldan la teoría de las partículas de materia ni la de los fotones oscuros. En cambio sí encajan con una nueva teoría que han propuesto y que sintetiza todos los datos disponibles. A la luz de esto, el descubrimiento podría indicar la existencia de una quinta fuerza fundamental.

El trabajo del equipo de Feng indica que en vez de ser un fotón oscuro, la partícula podría ser un “bosón X protofóbico”. La fuerza eléctrica normal actúa sobre electrones y protones, mientras que este bosón recién descubierto interactuaría solo con electrones y neutrones, y en un rango extremadamente limitado.

No existe ningún otro bosón observado que tenga esta misma característica.

martes, 19 de julio de 2016

Un mapa tridimensional de 1,2 millones de galaxias para estudiar la energía oscura

Un equipo internacional de astrónomos del proyecto Sloan Digital Sky Survey  III (SDSS-III), en español, Cartografiado Digital del Cielo SLOAN, ha anunciado esta semana en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society los resultados más precisos sobre la energía oscura, la responsable de la expansión acelerada del Universo. El estudio, firmado por cientos de investigadores y entre los que se encuentran Marcos Pellejero Ibañez y José Alberto Rubiño, del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), se ha presentado en un artículo principal y 12 artículos secundarios. También cuenta con participación española del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y del Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC), en España.

Gracias al programa Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), han elaborado el mayor mapa tridimensional de 1,2 millones de galaxias lejanas presentes en un volumen de 650 millones de años luz, equivalente a más de un cuarto del cielo. Este mapa les ha servido para medir esa aceleración y así determinar las cantidades de materia y energía oscura que componen el Universo en la actualidad.

BOSS permite calcular el ritmo de expansión del Universo midiendo el tamaño de las oscilaciones acústicas bariónicas (BAO, por sus siglas en inglés), unas ondas de presión que viajaban por el universo temprano –a los 380.000 años- a través de la materia. En ese momento, la materia y la luz se desligaron, formando el fondo cósmico de microondas (CMB), una radiación que ha quedado intacta prácticamente desde entonces y que nos permite estudiar las pequeñas variaciones en la densidad de la materia del Universo en su épocas más primitivas. Esas ondas quedaron congeladas en el tiempo y, como consecuencia de la evolución gravitatoria, produjeron a la larga una huella en la distribución de galaxias posterior que BOSS ha sido capaz de medir con una precisión sin precedentes.

Como resultado de esta metodología, se ha observado que las galaxias están separadas por una distancia característica, llamada “escala acústica”, determinada con precisión gracias a las observaciones del fondo cósmico de microondas realizadas por el satélite Planck, que la estima en 481 millones de años-luz.

Porción del cartografiado de la estructura a gran escala del Universo del Sloan Digital Sky Survey y el programa Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Cada punto indica la posición de una galaxia hace 6.000 millones de años, La imagen cubre una vigésima parte del cielo, una porción de 6.000 millones de años luz de ancho, 4.500 millones de alto y 500 de profundidad. El color indica la distancia desde la Tierra, siendo las amarillas las galaxias más cercanas y las moradas las más lejanas. Las galaxias están agrupadas en cúmulos, revelando supercúmulos y vacíos cuya presencia se puede rastrear hacia atrás en el tiempo hasta la primera fracción de segundo después del Big Bang. La imagen contiene 48.741 galaxias, un 3% de todos los datos del cartografiado. Las manchas grises son pequeñas áreas sin datos. (Crédito: Daniel Eisenstein y SDSS-III)
Para medir el tamaño de estas antiguas ondas gigantes, con BOSS se elaboró un mapa galáctico varias veces más grande que los realizados hasta la fecha. Cuando fue planeado, ya se sabía que la energía oscura influía significativamente en el ritmo de la expansión del Universo, por lo menos, desde hace 5.000 millones de años, así que se diseñó para medir esas oscilaciones desde una época anterior (unos 7.000 millones de años) hasta casi la actualidad (2.000 millones de años).

El mapa también revela que las galaxias se mueven hacia regiones del Universo con más materia, debido a la atracción gravitatoria y que, además, las observaciones concuerdan con las predicciones de la Teoría de la Relatividad General. Estos resultados apoyan la hipótesis de que la expansión acelerada del Universo es impulsada por un fenómeno como la energía oscura a las más grandes escalas cósmicas.

Marcos Pellejero Ibáñez, estudiante de doctorado en el IAC, y José Alberto Rubiño, investigador del mismo centro, junto a Chia-Hsun Chuang, del Leibniz Institute for Astrophysics, han ideado una nueva metodología para la extracción de información cosmológica de los datos de BOSS. Considerando el fondo cósmico de microondas y el mapa tridimensional de galaxias de BOSS para inferir los parámetros cosmológicos con mínimas presuposiciones sobre energía oscura, comprobaron diferentes modelos de la misma y confirmaron que el empleado en los últimos 18 años, basado en la constante cosmológica de Einstein, encaja con naturalidad.

“Aunque es computacionalmente complicado, hemos demostrado que se puede hacer un análisis profundo combinando de estas dos observaciones cosmológicas y usando modelos de evolución del Universo cada vez más complejos”,  explica Pellejero.

Por su parte, Rubiño añade que “la combinación de estos dos conjuntos de datos excepcionales, los del satélite Planck y BOSS, nos ha permitido además establecer las mejores cotas cosmológicas sobre la suma de las masas de las tres familias de neutrinos y su contribución relativa a la densidad total de materia.” (Fuente: IAC)


lunes, 4 de julio de 2016

El final del agujero en la capa de ozono

Una nueva investigación ha identificado señales claras de que el agujero en la capa antártica de ozono está empezando a cerrarse.

El equipo internacional de Susan Solomon, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, y Anja Schmidt, de la Universidad de Leeds en el Reino Unido.

Se confirma así que está en marcha definitivamente la recuperación plena de la capa de ozono, que protege la vida de la Tierra frente a los dañinos rayos ultravioleta del Sol.

El encogimiento del agujero ha variado de año en año, debido en parte a los efectos de las erupciones volcánicas.

Pero tener en cuenta los efectos de estas erupciones permitió a los autores del nuevo estudio mostrar que el agujero en la capa de ozono se está cerrando, y no ven ninguna razón por la que no debiera cerrarse de forma permanente hacia mediados de este siglo.

Estos nuevos y alentadores hallazgos muestran que el tamaño medio del agujero en la capa de ozono en cada mes de septiembre se redujo en más de 4,4 millones de kilómetros cuadrados (1,7 millones de millas cuadradas) desde el año 2000, unas 18 veces el área del Reino Unido.

Imagen en colores falsos que muestra la concentración de ozono sobre la Antártida el 2 de octubre de 2015. (Foto: NASA/Goddard Space Flight Center)



La investigación atribuye esta mejora al Protocolo de Montreal de 1987, que condujo a la prohibición del uso de los clorofluorocarbonos (CFCs), que por aquel entonces se empleaban ampliamente en neveras, botes con aerosoles (desodorantes, lacas, etcétera) y otros enseres.

Tal como destaca Solomon, ahora podemos estar seguros de que aquel protocolo y las decisiones políticas que lo secundaron han puesto a la capa de ozono en el camino hacia su recuperación. “El Protocolo de Montreal es una verdadera historia de éxito que proporcionó una solución a un problema medioambiental global”, subraya Schmidt.