¿Entender los neutrinos?

Comienza la construcción de un gran experimento internacional para entender los neutrinos.

Con una ceremonia celebrada el viernes 21 de julio en el Laboratorio Subterráneo de Sanford (Sanford Underground Research Facility, SURF) en Lead (Dakota del Sur, Estados Unidos), un grupo de dirigentes políticos, científicos e ingenieros de todo el mundo marcó el inicio de la construcción de un gran experimento internacional que podría cambiar nuestro conocimiento del Universo. Se trata de la instalación Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), que albergará el experimento internacional DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), que será construido y operado por 1.000 científicos e ingenieros de 30 países, entre ellos España. El CIEMAT, el Instituto de Física Teórica (IFT, UAM-CSIC), el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) y el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) participan en su construcción.

Cuando esté finalizado, LBNF/DUNE será el mayor experimento construido en Estados Unidos para estudiar las propiedades de las misteriosas partículas llamadas neutrinos. Desvelar los misterios de estas partículas podrían ayudarnos a explicar mejor cómo funciona el Universo y por qué existe la materia.

Instituciones de decenas de países contribuirán a la construcción de los componentes de DUNE. Este experimento atraerá a estudiantes y jóvenes investigadores de todo el mundo, formando a la próxima generación de científicos que liderará este campo de investigación.

Instalación del experimento ProtoDUNE-DP en el CERN

El laboratorio Fermilab, situado a las afueras de Chicago, producirá un haz de neutrinos y lo enviará a 1300 kilómetros a través de la Tierra hasta SURF, donde se construirán cuatro grandes detectores de una altura de cuatro pisos y 70.000 toneladas de argón líquido bajo la superficie para atrapar estos neutrinos. Los científicos estudiarán las interacciones de los neutrinos en los detectores, para entender mejor los cambios que sufren estas partículas cuando viajan de un punto a otro en un abrir y cerrar de ojos. Desde su descubrimiento hace más de 60 años, los neutrinos han demostrado ser las partículas subatómicas más sorprendentes, y que oscilen entre tres estados diferentes es una de sus mayores sorpresas. Este hallazgo comenzó con un experimento de neutrinos solares dirigido por Ray Davis en los años 60, y llevado a cabo en la misma mina subterránea que ahora albergará a LBNF/DUNE. Davis obtuvo el Premio Nobel de Física en 2002 por este experimento.

Los científicos de DUNE también buscarán diferencias en el comportamiento entre los neutrinos y sus réplicas de antimateria, los antineutrinos, lo que nos podría dar pistas sobre por qué vivimos en un Universo dominado por la materia. DUNE también observará los neutrinos producidos en las explosiones estelares, lo que revelaría la formación de estrellas de neutrones y agujeros negros. También investigará si los protones viven para siempre o se desintegran eventualmente en otras partículas, acercándonos a la realización del sueño de Einstein: la Teoría de la Gran Unificación.

Pero antes de esto, se tiene que construir la instalación, algo que ocurrirá en la próxima década. Los operarios comenzarán la construcción excavando más de 870.000 toneladas de rocas para crear las enormes cavernas subterráneas del detector DUNE. Mientras, se construyen grandes prototipos de DUNE en el laboratorio europeo de física de partículas (CERN), uno de los mayores socios del proyecto, y la tecnología desarrollada para estas versiones más pequeñas se probará y ampliará cuando se fabriquen los grandes detectores de DUNE.

Esta instalación está financiada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos, en colaboración con el CERN y otros socios de treinta países. Los científicos que participan en DUNE proceden de instituciones científicas de Armenia, Brasil, Bulgaria, Canadá, Chile, China, Colombia, Corea del Sur, Estados Unidos, España, Finlandia, Francia, Grecia, Holanda, India, Irán, Italia, Japón, Madagascar, México, Perú, Polonia, República Checa, Rumanía, Rusia,  Suecia, Suiza, Turquía, Ucrania y Reino Unido.

Cuatro centros de investigación españoles forman parte de la colaboración científica del experimento DUNE. Sus contribuciones abarcan tanto el diseño y la construcción del experimento, en particular de los detectores que se instalarán en SURF, como los estudios para optimizar la explotación científica del experimento. Un paso previo y crucial a la construcción de estos detectores en SURF es fabricar prototipos para probar la tecnología. Esta tarea, donde las instituciones españolas también participan, se lleva a cabo en el CERN con la construcción de dos grandes prototipos, llamados ProtoDUNE single phase o ProtoDUNE fase única (ProtoDUNE-SP) y ProtoDUNE dual phase o ProtoDUNE doble fase (ProtoDUNE-DP), que se probarán con haces de partículas cargadas a partir de 2018.

La Unidad de Excelencia María de Maeztu del CIEMAT – Física de Partículas participa en el experimento DUNE a través del grupo de neutrinos. El grupo está formado por cuatro doctores, cuatro estudiantes de doctorado, cinco ingenieros y tres técnicos de apoyo. El grupo de investigación es responsable del sistema de detección de luz de ProtoDUNE-DP, formado por 36 fotomultiplicadores que detectan y amplifican la luz producida por las interacciones de partículas en el detector y la convierten en una señal eléctrica. El CIEMAT lleva a cabo la caracterización de estos fotomultiplicadores para comprender su respuesta ante distintas señales de luz. Los soportes mecánicos y componentes eléctricos necesarios para el funcionamiento de los fotomultiplicadores son diseñados y producidos también por el personal del CIEMAT. Además, los fotomultiplicadores requieren un revestimiento especial que permite cambiar la luz invisible producida en el argón a una longitud de onda visible por los detectores, tarea que realiza el IFAE. Para comprobar el correcto funcionamiento de los fotomultiplicadores, se está diseñando y probando un sistema de motorización de luz. Con el objetivo de demostrar la tecnología de doble fase a gran escala, primeramente se ha instalado un detector de 3x1x1 m³ en el CERN, que está tomando datos en la actualidad y los científicos del CIEMAT e IFAE se encargan del análisis de la luz recogida. Los resultados obtenidos de este análisis van a servir para completar el diseño del detector de ProtoDUNE-DP de 6x6x6 m³.

Además, el CIEMAT coordina el grupo de trabajo de DUNE dedicado a la detección de neutrinos procedentes de supernovas. La señal de luz producida por los fotomultiplicadores es vital al indicar el comienzo de los sucesos originados por la explosión de una supernova. Los científicos del CIEMAT están incluyendo el sistema de detección de luz dentro de los programas de simulación y análisis de datos.

 Fuente: CIEMAT

Energía geotérmica sostenible.

Los estudios sobre el agua mineral carbonatada de manera natural han dado a los científicos una visión de cómo localizar los manantiales de agua caliente : fuentes potenciales de energía geotérmica sostenible. Estos estudios han demostrado cómo el oxígeno en el agua llega a tener una huella digital química distintiva.

La investigación mostró que esta huella digital está influenciada por la presencia de dióxido de carbono y no por el calor de debajo de la superficie de la Tierra, como se pensaba anteriormente.

El hallazgo podría ayudar a los científicos a reducir su búsqueda de sitios donde la energía geotérmica – el calor generado y almacenado en la Tierra – podría recuperarse de manera sostenible.

Científicos de la Universidad de Edimburgo analizaron el agua de fuentes carbonatadas de manera natural en Daylesford, Australia, y Pah Tempe en Utah, EE.UU. El equipo utilizó ordenadores para modelar las interacciones entre el agua y las rocas circundantes, basándose en las mediciones de las muestras de agua de los sitios. Sus hallazgos eliminaron la posibilidad de que los minerales de las rocas afectaran el oxígeno en el agua. En cambio, mostraron que el gas CO ₂ debe estar influyendo en la composición del oxígeno.

El estudio, publicado en Applied Geochemistry , recibió el apoyo del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido y de la organización de investigación australiana CO2CRC.

Rūta Karolytė , de School of GeoSciences, directora del estudio comentó:  «The oxygen fingerprint of spring waters has long been used to estimate the depth of the water’s source. Our new finding, that the mixing of natural CO₂ with water changes its oxygen fingerprint, means that many sparkling spring waters previously thought to be originating from very deep in Earth’s crust actually only have this fingerprint because of mixing with CO₂.»

El Dr. Stuart Gilfillan, también de School of GeoSciences, quien coordinó el estudio, dijo: «This finding changes how we can use the oxygen fingerprints of natural spring waters to identify potential geothermal resources. Estimates of how much heat a sparkling water spring has been exposed to should take into account the effect of CO₂.»

Baterias de iones de litio invertidas. Biosensores e implantes para tratar trastornos neurológicos

En las baterías de iones de litio, los iones fluyen internamente entre los electrodos mientras que los electrones fluyen en un circuito externo. Es difícil que estas baterías interactúen directamente con sistemas biológicos sin causar reacciones electroquímicas perjudiciales que puedan descomponer tejidos y electrolitos celulares.
Liangbing Hu, de la Universidad de Maryland, College Park y sus compañeros de trabajo, han desarrollado una «batería de electrones» que funciona al revés, utilizando un flujo de electrones interno para producir una corriente de iones externa.

J. R. Vandenheede, S. Keppens, y H. De Wulf, «Inactivation and reactivation of liver phosphorylase b kinase», Biochim. Biophys. Acta, vol. 481, n.^o 2, pp. 463-470, abr. 1977.

Tal dispositivo podría estimular la señalización de las células nerviosas o el movimiento del músculo en personas con problemas del sistema nervioso o del motor. Podría ayudar a los investigadores a medir los procesos iónicos en las células, y una versión implantable podría controlar la dosis de iones de litio a las personas con trastorno bipolar.
El circuito interno de la batería de electrones consiste en un ánodo de metal de litio y un cátodo de óxido de vanadio en tubos separados de vidrio rellenos de electrolitos, conectados por un hilo conductor de electrones y sellados con membranas de intercambio iónico. Las membranas de intercambio iónico están conectadas a tallos infundidos con el ion a transportar, tal como litio, sodio, potasio o calcio. Y los tallos se sumergen en una solución de electrolito que contiene células.
La diferencia de potencial químico entre los electrodos provoca flujos de electrones de ánodo a cátodo a través del hilo e iones a través del circuito externo. Los iones que pasan a través de la solución celular también generan un campo eléctrico que puede inducir el flujo de iones, como el calcio, a través de canales iónicos en las células. Las células con una proteína fluorescente sensible al calcio brillaron intensamente cuando los investigadores pasaron una corriente de iones a través de ellos.
«El valor real del trabajo está en su biocompatibilidad prometida», comenta Ping Liu de la Universidad de California, San Diego, un experto en baterías y almacenamiento de energía. Él piensa que los investigadores deben intentar desarrollar una gama más amplia de materiales para transmitir el flujo del ión, además de los tallos de la hierba. Hu dice que su grupo está de hecho persiguiendo tal investigación.

La propagación de noticias falsas por medio de «bots» podría llegar a ser una amenaza para las democracias

Universo Abierto

 Shao, Chengcheng, Ciampaglia,  Giovanni Luca..  “The Spread of Fake News by Social Bots”. Arxiv, 2017

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La difusión masiva de noticias falsas ha sido identificada como un riesgo global importante y se ha alegado que podría  influir en las elecciones y amenazar a las democracias.

Los científicos de la comunicación, los cognitivos, los sociales y los informáticos se dedican a estudiar las causas complejas de la difusión viral de la desinformación digital y a desarrollar soluciones, mientras que las plataformas de búsqueda y redes sociales están empezando a desplegar contramedidas. Sin embargo, hasta la fecha, estos esfuerzos han sido principalmente informados por evidencia anecdótica en lugar de datos sistemáticos.

En esta investigación se analizaron 14 millones de mensajes que propagan 400 mil reclamos en Twitter durante y después de la campaña presidencial de 2016 en Estados Unidos y las elecciones.  Encontrándose evidencias de que los bots sociales juegan un papel clave en la difusión…

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El gato de Schrödinger.

El gato de Schrödinger es la paradoja más popular de la cuántica. La propuso el nobel austríaco Erwin Schrödinger en 1935. Es un experimento mental que muestra lo desconcertante del mundo cuántico.

Imaginemos un gato dentro de una caja completamente opaca. En su interior se instala un mecanismo que une un detector de electrones a un martillo. Y, justo debajo del martillo, un frasco de cristal con una dosis de veneno letal para el gato. Si el detector capta un electrón activará el mecanismo, haciendo que el martillo caiga y rompa el frasco.

Se dispara un electrón. Por lógica, pueden suceder dos cosas. Puede que el detector capte el electrón y active el mecanismo. En ese caso, el martillo cae, rompe el frasco y el veneno se expande por el interior de la caja. El gato lo inhala y muere. Al abrir la caja, encontraremos al gato muerto. O puede que el electrón tome otro camino y el detector no lo capte, con lo que el mecanismo nunca se activará, el frasco no se romperá, y el gato seguirá vivo. En este caso, al abrir la caja el gato aparecerá sano y salvo.

Hasta aquí todo es lógico. Al finalizar el experimento veremos al gato vivo o muerto. Y hay un 50% de probabilidades de que suceda una cosa o la otra. Pero la cuántica desafía nuestro sentido común.

El electrón es al mismo tiempo onda y partícula. Para entenderlo, sale disparado como una bala, pero también, y al mismo tiempo, como una ola o como las ondas que se forman en un charco cuando tiramos una piedra. Es decir, toma distintos caminos a la vez. Y además no se excluyen sino que se superponen, como se superpondrían las ondas de agua en el charco. De modo que toma el camino del detector y, al mismo tiempo, el contrario.

El electrón será detectado y el gato morirá. Y, al mismo tiempo, no será detectado y el gato seguirá vivo. A escala atómica, ambas probabilidades se cumplen de forma simultánea. En el mundo cuántico, el gato acaba vivo y muerto a la vez, y ambos estados son igual de reales. Pero, al abrir la caja, nosotros sólo lo vemos vivo o muerto.

¿Qué ha ocurrido? Si ambas posibilidades se cumplen y son reales, ¿por qué sólo vemos una? La explicación es que el experimento aplica las leyes cuánticas, pero el gato no es un sistema cuántico. La cuántica actúa a escala subatómica y sólo bajo determinadas condiciones. Sólo es válida en partículas aisladas. Cualquier interacción con el entorno hace que las leyes cuánticas dejen de aplicarse.

Muchas partículas juntas interactúan entre sí, por eso la cuántica no vale en el mundo de lo grande, como el gato. Tampoco cuando hay calor, pues el calor es el movimiento de los átomos interactuando. Y el gato es materia caliente. Pero lo más sorprendente es que incluso nosotros, al abrir la caja y observar el resultado del experimento, interactuamos y lo contaminamos.

Científicos de la Universidad de Calgary (Canadá) y del Centro Ruso Cuántico (Rusia) han puesto a prueba un método capaz de aumentar la escala en la que ocurre la superposición de estados cuánticos, el fenómeno que trata de expresar la paradoja del gato de Schrödinger. Su objetivo es lograr este efecto a distancias microscópicas para saber dónde están los límites entre la física clásica y la cuántica. Sus avances han sido publicados recientemente en Nature Photonics.

Fuente: www.astromia.com