La búsqueda del bosón de Higgs
Los responsables de los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) han presentado los resultados preliminares en la búsqueda del bosón de Higgs, también conocido como la “partícula de Dios”. Los experimentos permitieron observar una nueva partícula en una región de masas que oscila entre 125 y 126 giga electrón voltios (1 GeV equivale a la masa de un protón). Esta unidad de energía se utiliza para representar la masa de las partículas.
Tal y como ha explicado o el investigador Joe Incandela, no hay duda de que se trata de una nueva partícula, de que es un bosón, y de que es el bosón más pesado encontrado hasta ahora. Todas sus propiedades apuntan a que se trata del bosón de Higgs, la última de las piezas “no encontradas” del esquema teórico conocido como Modelo Estándar de Partículas y Fuerzas. Los científicos llevan décadas intentando confirmar la existencia de este elemento que, de acuerdo con el citado modelo, explicaría por qué algunas partículas tienen masa y otras no.
Según Rolf Heuer, director del CERN, este es un hito histórico y, aunque aún se necesitan estudios más detallados y muchas estadísticas para poder sacar a la luz todas las propiedades de la nueva partícula, parece que esta ayudará a desvelar algunos de los grandes misterios del universo. Al fin y al cabo, solo el 4% del cosmos está compuesto de materia visible, y con la “baza” del bosón de Higgs los astrofísicos podrían empezar a explicar cómo funciona el 96% restante.
España es uno de los principales contribuyentes al CERN, ascendiendo su aportación al 8,11% del total de las aportaciones para el ejercicio 2012. La participación de los grupos de investigación españoles en el LHC cuenta con el apoyo del Ministerio de Economía y Competitividad, a través del Programa Nacional de Física de Partículas, y del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolider‐Ingenio 2010. Además de haber diseñado y construido varios subdetectores que son clave en la búsqueda de nuevas partículas en el LHC, los grupos españoles participan de forma destacada en su operación y mantenimiento, así como en la recogida, procesado y análisis de las colisiones producidas por los experimentos, incluyendo aquellas que pueden conducir a la observación del bosón de Higgs.
Un joven de 16 años soluciona el centenario problema de Newton
Shouryya Ray logró determinar la trayectoria de un proyectil afectado por la gravedad y la resistencia del aire, en una sola operación
Un joven indio de 16 años, llamado Shouryya Ray, logró solucionar un problema físico planteado hace más de 350 años por el mismísimo Isaac Newton.
Desde la época del reconocido físico no se había podido determinar la trayectoria de un proyectil afectado por la gravedad y por la resistencia del aire. Hace años los intentos de responder esta duda se concentraron en dos operaciones distintas, complicando la resolución.
Cuando se le presentó la historia del problema, Ray pensó que si no había solución, no habría daño en intentarlo, sin pensar que llegaría a la solución.
Ray nació en India y llegó a Dresden, Alemania, hace sólo cuatro años, sin saber hablar alemán. Según reveló, está interesado en las matemáticas desde los 6 años, cuando empezó a resolver operaciones que le daba su padre ingeniero.
El joven ha tenido tan buenos resultados en su educación que se saltó dos años de colegio y a los 16, está apunto de graduarse. Shouryya recibió un premio por entregar la solución al antiguo problema. Aunque no se ha publicado la solución completa al problema, sí se puede encontrar algo de información en el sitio del encuentro "Jugend Forscht".
Consiguen cambiar un evento del pasado
Un grupo de físicos del Instituto de Óptica Cuántica de la Universidad de Viena ha conseguido cambiar, desde el presente, un evento del pasado. Se trata de la realización práctica de una teoría predicha hace 12 años pero que -hasta ahora- jamás se había conseguido poner en práctica. Básicamente, consiguieron entrelazar partículas que estaban entrelazadas con otras incluso después de que las originales habían sido destruidas. El trabajo ha sido publicado en Nature Physics y calificado como “radical” por la comunidad científica.
La noticia ha conseguido sorprender a más de cuatro físicos. Un grupo de científicos del Instituto de Óptica Cuántica de la Universidad de Viena, dirigidos por Xiao-song Ma, ha conseguido algo que -hasta ahora- solo parecía posible en la ficción: cambiaron, desde el presente, un evento del pasado. Antes de que sigas leyendo tenemos que advertirte que se trata de un trabajo efectuado sobre partículas subatómicas, y que -hasta donde sabemos- es imposible de reproducir sobre eventos que involucren objetos macroscópicos, por lo que aquello de modificar el pasado para que no exista tu abuelo o cualquier otra situación paradójica queda fuera del alcance de este experimento. Sin embargo, se trata de un avance importantísimo para la ciencia, con aplicaciones prácticas en dispositivos como los ordenadores cuánticos, que ha sido calificado como “radical” por la comunidad de físicos.
Por ahora, es imposible modificar nuestro pasado.
Lo primero que necesitamos conocer para comprender este experimento es el entrelazamiento cuántico. Se trata de un fenómeno sorprendente, propio de la física cuántica, que consiste en una especie de “unión” entre dos partículas subatómicas que se mantiene sin importar a qué distancia se encuentren la una de la otra. Cuando dos partículas están entrelazadas de esta manera, cualquier cambio que efectúe sobre una se refleja de inmediato en la otra, sin importar qué tan lejos esté una de la otra. A pesar de que parece algo imposible y carente de fundamento, se trata de algo fue predicho por primera vez por Albert Einstein (quien se refería a este efecto como una “acción fantasmal a distancia”) y ha sido comprobado en varias oportunidades. Lo que han conseguido ahora estos físicos es entrelazar partículas después de que han sido sido modificadas, incluso en el caso de que una de ellas hubiese dejado ya de existir. Básicamente, esto significa que los investigadores de la Universidad de Viena han conseguido que acciones llevadas a cabo en el futuro ejerzan su influencia en eventos del pasado, aunque siempre dentro del ámbito de la física cuántica. El experimento, lo suficientemente complejo como para que solo nos limitemos a presentar una explicación superficial del mismo, comenzó cuando dos parejas (“paquetes”) de dos fotones se entrelazaron entre si, creando enlaces entre las partículas de uno y otro paquete. Luego, un fotón de cada pareja se envió a un destino que, para simplificar, llamaremos “Víctor”. Los dos restantes se enviaron a otros dos, que llamaremos “Bob” y “Alice”. Los fotones que posee Víctor están entrelazados con los otros dos, por lo que Víctor tiene control sobre las partículas que poseen Bob y Alice.
A continuación Víctor entrelazó sus dos fotones, lo que provocó que las partículas en poder de Bob y Alice también se entrelacen entre sí. Lo llamativo de esto es que el entrelazamiento entre estas dos últimas partículas es posible (y ocurre) aunque Bob y Alice hubiesen medido, modificado o incluso destruido sus propios fotones. Anton Zellinger, coautor del experimento, dice que “lo realmente fantástico es que esa decisión de entrelazar los dos fotones puede ser tomada en un momento muy posterior, incluso cuando los otros fotones podrían haber dejado de existir”. Las partículas que intervinieron en este experimento se entrelazaron enviándolas hacia un cristal cuya mitad es un espejo. El cristal refleja el 50% de los fotones incidentes y permite pasar los restantes. Si solo se envían dos fotones y uno atraviesa el cristal mientras el otro es reflejado, cada uno de ellos “pierde su identidad” y queda entrelazado con el otro. Zeilinger cree que este trabajo sentará las bases para las comunicación ultrarápidas entre ordenadores cuánticos, máquinas que si bien aún solo son poco más que una idea de diseño, en no mucho tiempo revolucionarán la informática. La posibilidad de llevar a cabo este experimento había sido predicha en el año 2000, pero hasta ahora nadie había conseguido realizarlo.
Fusión nuclear
¿Qué es la fusión nuclear?
Es el proceso en el que varios núcleos atómicos (de carga similar) se unen para formar un núcleo más pesado + energía (liberada o absorbida). El caso más simple de fusión nuclear es el del hidrógeno, donde dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía.
La fusión nuclear se produce de forma natural en las estrellas.
La fusión nuclear artificial también se ha logrado en varias empresas, aunque todavía no ha sido totalmente controlada.
Las reacciones de fusión dan energía a las estrellas y producen todos los elementos, excepto los más ligeros, en un proceso llamado nucleosíntesis. Aunque la fusión de los elementos más ligeros en las estrellas libera energía, la producción de los elementos más pesados absorbe energía.
Cuando la reacción de fusión es una cadena sostenida y fuera de control, puede desencadenar en una explosión termonuclear, como la generada por una bomba de hidrógeno. Las reacciones que no son autosuficientes aún pueden liberar una energía considerable, así como un gran número de neutrones.
Breve historia
Las investigaciones sobre la fusión controlada llevan más de 50 años persiguiendo el objetivo de obtener energía de fusión para la producción de electricidad. Este proceso ha estado repleto de extremas dificultades científicas y tecnológicas, pero esto se ha traducido en progreso. En la actualidad, las reacciones equilibradas y controladas (autosuficientes) de fusión, no han podido ser demostradas en los pocos reactores de tipo Tokamak que hay en el mundo.
Está previsto que en torno al año 2018 entren en funcionamiento diseños viables para un reactor que, teóricamente, generará diez veces más energía de la requerida para calentar el plasma a la temperatura necesaria (ITER).
Fundamento
Se necesita mucha energía para forzar a los núcleos a fusionarse, incluso los del elemento más ligero, el hidrógeno.
Esto se debe a que todos los núcleos tienen una carga positiva (debido a sus protones), y como las cargas iguales se repelen, los núcleos se resisten con fuerza a que se los ponga demasiado juntos. Acelerados a altas velocidades (esto es, calentados a temperaturas termonucleares), pueden superar esta repulsión electromagnética y acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte sea lo suficientemente grande como para lograr la fusión. La fusión de núcleos más ligeros, que crea un núcleo más pesado y un neutrón libre, en general libera más energía de la que se necesita para forzar a los núcleos a acercarse; se trata de una reacción exotérmica que puede producir reacciones autosuficientes.
La energía liberada en la mayoría de las reacciones nucleares es mucho mayor que en las reacciones químicas, porque la energía de enlace que mantiene unido un núcleo es mucho mayor que la energía que mantiene unido al núcleo con un electrón. Por ejemplo, la energía de ionización ganada con la adición de un electrón a un átomo de hidrógeno es 13.6 electrón-voltios—menos de una millonésima de los 17 MeV liberada en la reacción DT (deuterio-tritio), reacción que se muestra en el diagrama de la derecha. Las reacciones de fusión tienen una densidad de energía muchas veces mayor que la fisión nuclear, es decir, las reacciones producen mucha más energía por unidad de masa a pesar de que las reacciones de fisión individuales son ç generalmente mucho más enérgicas que las reacciones de fusión individuales, que a su vez son millones de veces más enérgicas que las reacciones químicas.
Sólo la conversión directa de la masa en energía, como la causada por la colisión de la materia y la antimateria, es más energética por unidad de masa que la fusión nuclear.
Todo este proceso se puede llevar a cabo mediante la utilización de campos magnéticos que contienen tales emisiones enormes de energía propias de las estrellas.
Requisitos
Antes de que la fusión pueda tener lugar, debe superarse una importante barrera de energía producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias dos núcleos se repelen entre sí debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones cargados positivamente. Si dos núcleos pueden ser acercados lo suficiente, sin embargo, la repulsión electrostática se puede superar debido a la interacción nuclear fuerte, que es más fuerte en distancias cortas.
Cuando se añade un nucleón como un protón o un neutrón a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros nucleones, pero principalmente a sus vecinos inmediatos, debido al corto alcance de esta fuerza. Los nucleones en el interior de un núcleo tienen más vecinos nucleones que los de la superficie. Ya que los núcleos más pequeños tienen una mayor relación entre área de superficie y volumen, la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear por lo general aumenta con el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente a la de un núcleo con un diámetro de cerca de cuatro nucleones.
La fuerza electrostática, por otra parte, es una fuerza inversa del cuadrado de la distancia, así que un protón añadido a un núcleo sentirá una repulsión electrostática de todos los otros protones en el núcleo. La energía electrostática por nucleón, debido a la fuerza electrostática por tanto, aumenta sin límite cuando los núcleos se hacen más grandes.
En distancias cortas, la interacción nuclear fuerte (atracción) es más fuerte que la fuerza electrostática (repulsión). Así, la mayor dificultad técnica para la fusión es conseguir que los núcleos se acerquen lo suficiente para fusionar. Las distancias no están a escala.
El resultado neto de estas fuerzas opuestas es que la energía de enlace por nucleón generalmente aumenta con el tamaño del núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel, y un posterior descenso para los núcleos más pesados. Finalmente, la energía de enlace se convierte en negativa y los núcleos más pesados (con más de 208 nucleones, correspondientes a un diámetro de alrededor de 6 nucleones) no son estables. Los cuatro núcleos más estrechamente unidos, en orden decreciente de energía de enlace, son 62Ni, 58Fe, 56Fe, y 60Ni.
A pesar de que el isótopo de níquel, 62Ni, es más estable, el isótopo de hierro 56Fe es una orden de magnitud más común. Esto se debe a una mayor tasa de desintegración de 62Ni en el interior de las estrellas impulsado por la absorción de fotones.
Una notable excepción a esta tendencia general es el núcleo helio-4, cuya energía de enlace es mayor que la del litio, el siguiente elemento más pesado. El principio de exclusión de Pauli proporciona una explicación para este comportamiento excepcional, que dice que debido a que los protones y los neutrones son fermiones, no pueden existir en el mismo estado. Helio-4 tiene una energía de enlace anormalmente grande debido a que su núcleo está formado por dos protones y dos neutrones, de modo que sus cuatro nucleones puede estar en el estado fundamental.
Cualquier nucleón adicionales tendrían que ir en estados de energía superiores.
Confinamiento electrostático estable para fusión nuclear
Se basa en el encierro total de iones de hidrógeno confinados electrostáticamente.
Los beneficios de este confinamiento son múltiples:
• El grosor de la esfera de cobre anula la inestabilidad producida por los errores de simetría.
• La ionización del hidrógeno se produce fácilmente por el campo eléctrico que absorbe los electrones sin disminuir la intensidad del campo eléctrico.
• Se puede obtener un intenso campo eléctrico lo que evitaría que los iones de hidrógeno escapen.
• La energía consumida es menor que la que consume un reactor de fusión que produce un campo electromagnético para confinar los iones.
La fusión nuclear se logra por medio de compresión-descompresión aumentando o disminuyendo la intensidad del campo eléctrico, esto se logra aumentando o disminuyendo la velocidad del generador de electricidad. El moderador de neutrones que se puede utilizar es el plomo aunque habría que probar su eficacia.
