RESPUESTAS DESDE EL CERN 6

Después del lapsus estival os entregamos el resto de respuestas a las preguntas de nuestros alumnos...

16. ¿Alguien más está buscando el Bosón de Higgs? ¿Cómo se le busca? ¿Se ha puesto alguna fecha el CERN para dar con él? 

Hasta hace unos meses, el CERN “competía” con el laboratorio norteamericano Fermilab en la búsqueda del Higgs.

Desafortunadamente nuestros amigos americanos tuvieron que parar por razones económicas, así que ahora el CERN es el único laboratorio del mundo que puede encontrar el Higgs... ¡si existe! Se busca haciendo colisionar protones en el LHC a gran energía. Cuando dos protones colisionan hay una cierta probabilidad de que se desintegren y la energía que llevaban se encuentra disponible para la creación de nuevas partículas. Esta creación también es un proceso aleatorio. Para crear un Higgs, si existe, hay que generar muchos millones de colisiones. En caso de que exista, el CERN debería poder encontrarlo antes del final de este año (2012).

17. De las partículas fundamentales ¿cual es la de mayor tamaño? ¿y la más pequeña?
El tamaño es un concepto muy escurridizo en mecánica cuántica, que es la teoría que rige los fenómenos que ocurren a escala microscópica. El problema es que cada partícula tiene una cierta probabilidad de interaccionar con otra partícula que pase cerca, y esa probabilidad crece según la distancia entre ambas partículas decrece. Pero siguen siendo solamente probabilidades. En el mundo macroscópico estamos acostumbrados a que dos cuerpos se toquen o no se toquen. Si no se tocan, no hay interacción. Esto nos permite visualizar fácilmente el tamaño de los objetos. Decimos que un listón está a cinco metros de altura porque si quiero saltármelo con una pértiga será imposible a menos que mi salto sea de al menos cinco metros. Si salto un poco menos alto, será fácil darme cuenta porque tocaré el listón y éste se moverá. El mundo subatómico es más complicado, o menos acorde con nuestra intuición, lo cual es normal porque nuestra intuición la construimos a diario con observaciones del mundo macroscópico. Como he dicho, si una partícula pasa cerca de otra hay una cierta probabilidad de que interaccionen. Podríamos definir un tamaño diciendo que es, por ejemplo, la distancia a la cual tiene que estar la otra partícula para que la probabilidad de interacción sea el 50%. Pero esa probabilidad también depende del tipo de partícula que se aproxime y de la energía que lleve, así que cualquier intento de definición preciso sería un poco arbitrario. En general, un concepto menos escurridizo para clasificar las partículas de mayor a menor es su masa en reposo. Si tomamos esa magnitud física como referencia, la partícula elemental más pesada que se conoce en estos momentos es el quark Top, con una masa de 171.2 GeV/c2. Las más ligeras son los neutrinos de tipo muón, cuya masa no se conoce exactamente pero se sabe inferior a 0.17 MeV/c2. Bueno, esto si excluimos el fotón,  que es un bosón cuya masa es cero (por eso puede ir a la velocidad de la luz, pero eso es otra historia). Las unidades que se utilizan para estas masas son mucho más pequeñas que el gramo. Es sólo una
forma de asegurarnos que las masas de estas partículas en esas unidades son números más o menos manejables como 171.2 y 0.17. Si escribiéramos la masa del Top en gramos, sería 0,0000000000000000000003051910328 gramos, lo cual no es muy práctico.

18. ¿Qué implica encontrar una partícula que viaja a mayor velocidad que la luz como los neutrinos?
Las últimas mediciones de la velocidad de los neutrinos parecen desmentir el resultado del experimento OPERA en 2011. Es decir, que todo apunta a que los neutrinos no van más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. Hay que decir que el resultado de OPERA habría sido completamente revolucionario de ser correcto, así que era muy importante que se sometiera al escrutinio de los físicos de todo el mundo y que otros experimentos intentaran replicar ese mismo resultado. Durante ese proceso se han encontrado un par de fallos en OPERA, que en principio explican el error en su resultado. Esto no es ningún drama, es como funciona la ciencia. Es una búsqueda continua de la verdad en la que la Naturaleza tiene siempre la última palabra.

 

Contrariamente a otras disciplinas como la Política, la opinión de unos y de otros cuenta más bien poco, y los desacuerdos tardan en general poco tiempo en solventarse a través de experimentos y razonamientos. Para volver a la pregunta: ¿qué habría significado encontrar una partícula que viaja más rápido que la luz en el vacío? Pues tendríamos que haber mejorado alguna de las teorías más importantes de la Física actual, como la Relatividad de Einstein. 

De lo contrario, el viaje más rápido que la luz habría dado lugar a muchas paradojas, como que viajar en el tiempo es posible, al menos para esas partículas tan rápidas. Lo que habría pasado seguramente es que algún Físico brillante habría encontrado una teoría que lo habría explicado y que a su vez habría hecho otras predicciones verificables. Pero bueno, como he dicho, actualmente todo apunta a que se trató de un error experimental.

19. ¿Es posible que en un futuro podamos descubrir que las partículas que ahora pensamos que no tienen estructura interna como los Quarks, sí que la tengan?
Por supuesto. Como he dicho antes, que nosotros no podamos ver algo con nuestra tecnología actual no significa que no exista. Decir lo contrario es pecar de soberbia y de ingenuidad.

20. ¿Es cierto que un grano de arena contiene tantas partículas como granos de arena podríamos encontrar en un desierto?
La Física es muy pocas veces una cuestión de opinión. La reacción de un Físico ante esta pregunta es poner los números sobre la mesa y calcular, así que manos a la obra: supongamos que el grano de arena es de 2.65 mg (el peso de un grano de sílice de 1mm3). La arena de playa o desierto suele ser en su mayoría sílice, o dióxido de Silicio (SiO2) que tiene una masa aproximada de unas 60 u (unidades de masa atómica) por molécula. Es decir, que una molécula pesa aproximadamente 10-22 gramos. O sea que en nuestro grano de arena de 2.65 mg hay unas 2.65·10^19 moléculas de sílice. Una molécula de sílice tiene 210 partículas elementales (quarks y electrones), así que en un granito de arena hay unas 5,6·10^21 partículas.

El desierto del Sáhara tiene una extensión de unos 9 millones de km2. Suponiendo que está cubierto por una capa de arena de 100 metros de alto de media, eso nos da un volumen de arena de 9·10^14 m3. Asumiendo que el volumen de un grano de arena es de 10-9m3 (un cubito de 1mm de lado), eso nos da un total de 9·10^23 granitos de arena en el desierto del Sáhara. O sea, que a primera vista hay más granos de arena en el Sáhara que partículas en un grano de arena típico, ¡pero no por mucho! Bueno, a lo mejor me he equivocado yo en los números... En cualquier caso, hay más partículas en un grano de arena que granos de arena en el desierto de los Monegros o el de Tabernas en España, o sea que sí, está así así la cosa. Es alucinante, ¿no?

21. La materia está formada por partículas fundamentales como quarks, gluones, etc... ¿podemos manipular estas partículas y combinarlas para formar nuevos átomos y elementos, o trastocar los existentes?
Sí, por supuesto. Si lanzas un neutrón hacia el núcleo de un átomo, hay una cierta probabilidad de que se incruste en ese núcleo y el resultado sea un isótopo distinto del original. Si haces que un haz de positrones se acerque a un haz de antiprotones (como se hace en el CERN), es posible que algún positrón se ponga a dar vueltas en órbita alrededor de un antiprotón, y habremos creado un átomo de anihidrógeno. Como hemos dicho antes, aglutinar partículas de cierta manera es sólo una de las manipulaciones posibles. También se puede provocar colisiones y observar lo que sale. De esos productos de colisión se pueden seleccionar algunos mediante campos eléctricos y magnéticos apropiados. Las posibilidades son múltiples.

22. ¿Se pueden o podrían crear átomos artificiales?
Sí, muchos de los átomos naturales se crean en las estrellas, donde las condiciones de presión y temperatura son tales que el proceso de fusión de dos núcleos para crear un tercero es bastante corriente. Si recreamos esas condiciones de manera artificial, veremos los mismos resultados. Hay algunos laboratorios en el mundo que son capaces de hacerlo. Así que si alguien os dice que estáis hechos de polvo de estrellas ¡no os creáis que es un poeta! Bueno, puede serlo, pero hay que saber que es muy cierto: ¡la mayoría de los átomos que forman vuestro cuerpo se crearon en una estrella!

23. ¿Podríamos descubrir más elementos químicos que los que conocemos?
Se pueden descubrir si existen ya y un día los encuentras. Esto no ha pasado desde hace mucho tiempo. Lo que sí que se ha hecho últimamente es crear nuevos elementos. Por ejemplo, nuestros amigos del laboratorio GSI, en Alemania, crearon el Copernicio en el año 1996.

 
Es un elemento de número atómico 112, y cuyo isótopo más estable tiene una vida media de 29 segundos, tras los cuales se desintegra y da lugar a otros núcleos más estables. En GSI crean estos nuevos elementos bombardeando una capa fina de un elemento con un haz muy energético de otro elemento. Cuando la energía del haz es suficientemente alta, las mismas condiciones que en las estrellas permiten que el proceso de fusión se lleve a cabo entre los núcleos de los dos elementos, produciendo un nuevo núcleo.

24. ¿A qué temperaturas podemos elevar la materia de manera artificial?
La temperatura es una manifestación en el mundo macroscópico (el que percibimos fácilmente con nuestros cinco sentidos) de un fenómeno más básico del mundo microscópico. Si por ejemplo te calientas una sopa en el microondas, lo que pasa es que un campo electromagnético bastante potente le transfiere energía a las partículas que forman la sopa. Estas se agitan, adquieren energía cinética, chocan entre ellas. La inyección de energía externa ha hecho que la sopa sea, a nivel microscópico, un mundo mucho más agitado que antes. Algunas de las moléculas de agua de la sopa adquieren tanta velocidad que se desligan de la fase líquida y salen volando. Ahora forman parte del vapor de agua, ese humillo que vemos subiendo del plato. Si acercamos la mano, notamos el calor. Son los choques de esas moléculas tan ajetreadas contra las moléculas de nuestra piel. O sea que lo que llamamos temperatura no es más que una medida de la velocidad media y la concentración de partículas que no vemos con nuestros ojos. Como sabemos que hay un límite tanto en la concentración espacial como en la velocidad a la que se pueden mover los cuerpos, debería haber un límite superior de temperatura. Las cosas no son tan simples.
Hoy sólo sabemos que a partir de una cierta temperatura, llamada temperatura de Planck, las leyes de la Física tal y como las conocemos hacen predicciones sin sentido, lo cual puede ser una indicación de que esa temperatura (entorno a los 1032 Kelvin) no se puede superar, pero también puede indicar simplemente que nuestras teorías actuales son incompletas. En cualquier caso, estamos muy lejos de poder producir esa temperatura artificialmente.

El lugar más caliente del mundo en este momento es el punto de colisión de los protones del LHC, que apenas llega a los 1017 Kelvin. Es decir, millones de millones de veces más caliente que el hierro fundido, pero miles de millones de millones de veces más frío que la temperatura de Planck.

 25. Los cambios de estado de la materia se producen por la variación de la temperatura ¿se puede encontrar algún estado de la materia superior al plasma?
¿Cómo definimos lo que es un estado de la materia y lo que no lo es? Vemos que el agua en estado líquido hace cosas (como no salirse de un vaso) que no hace en estado gaseoso, así que damos a esos dos estados nombres diferentes para entendernos y poder comunicar en la vida cotidiana. Por supuesto, hay diferencias objetivas a nivel microscópico entre el agua líquida y el vapor de agua, pero también las hay entre un cristal líquido y un sólido, y no tenemos al “cristal líquido” en la lista estándar de estados de la materia. Con esto quiero decir que hay por una parte lo que hace la materia bajo determinadas condiciones de presión y temperatura, y por otra parte cómo decidimos llamarlo. Con los plasmas pasa una cosa parecida. El plasma de las estrellas y el de nuestra tele de plasma es como un gas, excepto que los partículas que lo componen no son eléctricamente neutras: están cargadas.

Eso hace que cuando se le aplican campos electromagnéticos externamente, el plasma hace cosas “raras” que uno no esperaría que pasasen si fuese un gas normal. Y entonces, para facilitar la comunicación cuando se habla de un gas ionizado de ese tipo, se decide llamarlo “plasma”, y puesto que las desviaciones de comportamiento y propiedades con respecto a los gases neutros son bastante grandes y generalizadas para todos los tipos de plasma, se decide declarar que el plasma es un estado de la materia diferente de los demás. Por supuesto, no se puede excluir que según vamos avanzando en nuestra exploración de nuevas zonas de temperatura y presión, descubramos que bajo ciertas condiciones el comportamiento de la materia es diferente a todo lo que conocemos hasta ahora. En ese caso, habremos descubierto un nuevo estado de la materia.

GRACIAS DE NUEVO JAVIER, POR TODAS TUS RESPUESTAS!

RESPUESTAS DESDE EL CERN 5

13. Hemos estudiado Bosones, Leptones y Quarks... ¿Cuáles de ellos no se encuentran en el universo de forma “natural” sino que han sido observados gracias al colisionador?

Todas esas partículas existen de forma natural y también se pueden crear y observar de forma artificial. La mayoría de ellas se desintegran muy rápidamente en otras partículas, así que es difícil detectarlas. La ventaja de producirlas de forma artificial es que se pueden controlar las condiciones de producción y observación para que el estudio de estas partículas sea mucho más fácil. Es como si quieres estudiar los tulipanes y tienes que esperar a que salgan cada primavera para estudiarlos. Si los plantas tú en un invernadero puedes estudiarlos tanto tiempo como quieras, y variar las condiciones (temperatura, humedad...) para ver cómo les afectan y avanzar en tu entendimiento de la planta. 

14. ¿Qué partículas hacéis colisionar en el CERN?

En el LHC, que es el acelerador más conocido del CERN, colisionan protones contra protones. A veces se inyectan también iones de plomo y se hacen colisionar entre sí. Otra posibilidad es hacer colisionar iones de plomo con protones. Los iones de plomo son más masivos que los protones, así que al colisionar generan energías mayores que pueden a su vez generar partículas más masivas que cuando se hacen colisionar protones. El problema con los iones de plomo es que las colisiones son muy complejas, ya que es un choque entre dos núcleos, cada uno compuesto por muchos protones y neutrones. Así que el análisis de lo que sale de las colisiones es mucho más complicado. 

15. ¿Qué partículas se han descubierto en el CERN?

Se han descubierto varias, pero las principales son los bosones W+, W- y Zo, que se descubrieron en 1983 y son los que transmiten la interacción de tipo nuclear débil. Sin estas partículas no se entendería por qué  brilla el Sol, por ejemplo. Otro hito importante en la historia del CERN fue la creación por primera vez de un átomo de antihidrógeno en 1995. 

Nosotros también hablamos del Bosón de Higgs!

Pues nada, no vamos a ser nosotros menos! Todo el mundo hablando del bosón de Higgs.... y nosotros también. Para hacerlo más ameno os hemos buscado un vídeo donde está explicado muy bien, de manera muy visual y didáctica. Enhorabuena a nuestros "colegas" del CERN. Hablaremos del bosón en siguientes entregas. Aquí tenéis el vídeo!




Os ponemos otro explicado con un poco más de detalle...

RESPUESTAS DESDE EL CERN 3 Y 4

La semana pasada estuvimos muy liados así que fue imposible la publicación de RESPUESTAS DESDE EL CERN 3. Pero no pasa nada! esta semana publicamos dos a la vez, ahí van....

7. ¿Sabemos de que está formado un agujero negro? ¿Cómo se puede formar artificialmente? ¿Si se llega a formar entrañaría algún peligro?

Los agujeros negros se forman típicamente cuando a una estrella se le acaba el combustible que la hace brillar. Esto le pasa a todas las estrellas, y le pasará algún día al Sol, dentro de unos 7000 millones de años. Mientras una estrella brilla, hay una agitación como producto de esas reacciones, que hace que las partículas tengan suficiente energía para compensar la atracción gravitacional que tiende a llevarlas  hacia el centro de la estrella. Cuando esa agitación cesa, las fuerzas gravitacionales hacen que la estrella se colapse: todas las partículas se juntan en el centro de la estrella. La densidad es tal que el campo gravitacional en el centro es enorme, y cualquier partícula que pase por allí es absorbida inmediatamente. 

 

Las partículas de luz, los fotones, no son una excepción. Son absorbidas como las otras. Por eso se llaman agujeros negros. Casi ningún fotón sale de ellos. Y digo casi porque Stephen Hawking descubrió en 1974 que los agujeros negros sí que emiten un poco de radiación. Si se mira el tipo de fotones que emiten, se ve que un agujero negro se comporta como un cuerpo que se ha llevado a una cierta temperatura. Si uno se acerca a un objeto ardiendo, parte del calor que siente son fotones que le llegan desde ese objeto. Cuanto más caliente, más fotones. Los agujeros negros con mucha masa se comportan como objetos muy fríos. Es muy difícil detectarlos porque casi no emiten fotones. Los agujeros negros de poca masa se comportan como objetos muy calientes. Tanto que muchas veces se evaporan porque gastan toda su energía en emitir esos fotones. Se les acaba la masa que se necesita para emitir tanta energía y desaparecen. 

Es posible que se puedan generar agujeros negros artificialmente en aceleradores de partículas como el LHC del CERN, porque la densidad en el momento de las colisiones es muy alta, pero en cualquier caso serían de ese último tipo de agujeros que se evapora casi inmediatamente, así que no representan ningún riesgo.

8. ¿Puede ser nuestro universo una parte de algo más grande que desconocemos?

Desde luego. Como he dicho antes, nuestros sentidos, los que utilizamos para aprehender el mundo, son muy limitados. Para compensar sus carencias, el hombre ha inventado todo tipo de instrumentos: telescopios para ver más lejos, microscopios para ver cosas más pequeñas, etc. pero éstos también tienen sus limites. Que no veas una cosa con el estado actual de la tecnología no quiere decir que no exista. El estudio de la naturaleza en general y la Física en particular son grandes curas de humildad. 

9. ¿Qué hay entre la atmósfera terrestre y la Luna? ¿Vacío?

Sí, la mayoría es vacío. Hay alguna molécula de hidrógeno por ahí perdida, unos cuantas moléculas de helio que hayan podido escapar del Sol, neutrinos, fotones... cosas así, pero la gran mayoría del espacio es vacío. Y cuando digo vacío, hablo de un vacío mucho más vacío que nuestro cuerpo, que contrariamente a lo que pueda parecer también está prácticamente vacío. Si empezáramos a mirar nuestro cuerpo con un microscopio cada vez más potente, llegados al nivel de los átomos, veríamos que estos están compuestos por un núcleo y algunos electrones que orbitan alrededor, pero las distancias vacías entre el núcleo y los electrones son mucho mayores que los tamaños de esas partículas. O sea, que la gran mayoría del espacio que ocupa nuestro cuerpo también está vacío.

 Si no atravesamos las paredes no es porque nuestros átomos choquen con los átomos de la pared, sino por la repulsión eléctrica entre nuestras partículas cargadas y las de la pared. Por otra parte, el vacío según la mecánica cuántica no es un lugar tan tranquilo como cabría suponer. Tiene energía, y quien dice energía dice creación aleatoria de partículas, aniquilamiento, y vuelta a empezar. Cuando se mira en detalle, el vacío es un no parar. Y hablo tanto del vacío en nuestro cuerpo como del que existe entre la Tierra y la Luna. Una de las cosas más excitantes de la Física es que las leyes que encontramos observando lo que tenemos al lado explican también fenómenos que ocurren al otro extremo del universo. Es lo que le pasó a Newton cuando vio caer una manzana de un árbol y descubrió que la misma fuerza que la había hecho caer al suelo era responsable de la órbita de la Luna en torno a la Tierra.

10. ¿Existe alguna hipótesis sobre que ocurrió antes del Big Bang?

Hipótesis hay muchas. Hacer hipótesis es gratis. Pero hipótesis serias desde el punto de vista científico... ¡ay! Eso es otra historia. En mi muy humilde opinión, no hay ninguna hipótesis en este momento que merezca sobresalir sobre todas las otras. En general, las hipótesis o teorías que gozan del beneplácito de los físicos son aquellas que son falsificables, es decir, que se puede diseñar un experimento cuyo resultado pueda dictaminar que la teoría no es válida. Por ejemplo, imaginemos que soy Newton y veo caer una manzana. Podría proponer una serie de teorías. 

Por ejemplo: 

A. Que las manzanas caen porque tienen un gusano dentro que las empuja hacia abajo. 

B. Que las manzanas caen porque el genio de las manzanas así lo ha decidido.

C. Que las manzanas caen porque la Tierra las atrae, como atrae a todos los otros cuerpos.

De estas tres opciones, hay una (la B) que no es falsificable. No puedo concebir un experimento que tenga entre sus posibles resultados uno que dictaminase de forma meridiana que la hipótesis es incorrecta. Esto no quiere decir que la opción B no sea respetable. Solo quiere decir que no pertenece al ámbito de la ciencia, sino probablemente al de la superstición. La opción A, por extraño que parezca, está completamente en el ámbito de la ciencia. Un simple experimento consistente en abrir todas las manzanas que veamos caer nos permitirá concluir que la hipótesis es incorrecta. ¿Es mala ciencia? En absoluto. La ciencia avanza casi tanto con los fallos de los científicos como con sus aciertos. La opción C también es falsificable: podemos hacer caer otros objetos de otros tipos, observar la trayectoria de la Luna alrededor de la Tierra, la de la Tierra entorno al Sol... Si alguna de esas observaciones no fuera coherente con la teoría que se propone, la teoría debería abandonarse. Hasta ahora, la teoría según la cual los cuerpos masivos se atraen se ha visto corroborada en miles de experimentos, y no ha fallado nunca. Pero si algún día fallara, tendríamos que sustituirla por otra. La Historia de la Física se puede ver como una sucesión de experimentos que forzaron a los físicos a ir cambiando y mejorando sus teorías.

11. Según el principio de conservación de la energía, ésta ni se crea ni se destruye… por lo que cabe suponer que la energía que formó nuestro Universo, antes del Big Bang estaba en otra forma que no conocemos, ¿es cierto?

Puede ser, pero no tenemos información suficiente para saberlo. El principio de conservación de la energía es el resultado de un razonamiento y miles de observaciones de fenómenos físicos. Pero estas observaciones siempre se han producido en el universo que conocemos hoy. Este universo lo explicamos con ese principio y muchas otras leyes que son compatibles con él. Pero como hemos visto más arriba, no está nada claro qué tipo de Universo existía antes del Big Bang, ni siquiera si la noción de “tiempo” tal y como la entendemos hoy sería aplicable a ese Universo. Por lo tanto es un ejercicio arriesgado asumir que un universo existió antes del Big Bang y que en ese Universo el principio de conservación de la energía era tan válido como en este. La afirmación de la pregunta es de más o menos sentido común, pero ya hemos visto muchas veces, sobre todo desde principios del s. XX, que muchas de las leyes de la Física desafían el sentido común, que por otra parte, como dijo alguien es “el menos común de los sentidos”.

12. ¿Pueden existir más universos que el nuestro?

Por supuesto. Sería muy osado por nuestra parte asumir que sabemos tanto del universo y de la Física como para permitirnos asegurar tajantemente que no puedan existir otros.

RESPUESTAS DESDE EL CERN 2

4. ¿Por qué vemos el universo oscuro? 

La Madre Naturaleza nos ha equipado con un par de ojos, que son unos instrumentos muy sofisticados para recibir información de nuestro entorno, pero tienen sus limitaciones: sólo detectan luz, y ni siquiera toda la luz. La luz puede ser considerada como una onda que oscila a una cierta frecuencia. Si la luz que nos llega oscila unas 780 millones de millones de veces por segundo entonces vemos el objeto que desprende esa luz de color violeta. Si un objeto desprende luz que oscila unas 400 millones de millones de veces por segundo, vemos ese objeto de color rojo. Si nos llega luz cuya frecuencia de oscilación no está contenida entre el rojo y el violeta, el ojo no ve nada, o sea negro.

Para el ojo es igual que le llegue esa luz que que no le llegue nada. Con nuestros ojos sólo podemos ver los objetos del Universo que desprenden el tipo de luz que nuestros ojos pueden detectar. A veces, un objeto desprende luz visible pero está demasiado lejos y la luz llega muy atenuada a la Tierra porque hay algo de materia en el camino que absorbe una parte. El ojo también tiene un límite en cuanto a la cantidad mínima de luz que necesita para ver algo. Si tuviéramos ojos especiales que fueran más sensibles y aceptaran luz de muchas más frecuencias el Universo nos parecería mucho más luminoso.

5. ¿Se podría aprovechar de alguna manera la energía oscura del universo?

Es muy pronto para decirlo. Primero habría que comprender qué es la energía oscura. De la misma forma, se puede decir que la energía eléctrica se había experimentado antes de comprenderse (a alguien le había caído un rayo cerca, la gente se cargaba de vez en cuando de electricidad estática y soltaba chispas al tocar un metal, etc.) pero sólo después de comprenderse completamente en el siglo XIX se empiezan a encontrar aplicaciones.

6. ¿Es cierto que transformáis energía en materia?

La transformación de energía en materia y viceversa es una cosa muy corriente que pasa continuamente en todas partes, no sólo en el CERN. Por ejemplo, si entras en tu habitación y enciendes la luz, muchos fotones (las partículas que llevan el campo electromagnético) saldrán de la bombilla en todas direcciones. Algunos de ellos desaparecerán y darán lugar a un par de partículas: electrón y positrón por ejemplo. Estos a su vez pueden aniquilarse al cabo de un breve instante y volver a dar un fotón, que es el vehículo de la energía que va a iluminar y calentar la habitación. El baile de partículas y energía es constante, aunque no lo notemos con nuestros limitados cinco sentidos. El mundo subatómico no se rige por las mismas reglas que el mundo macroscópico al que estamos acostumbrados. La mecánica cuántica nos dice que procesos como el que he descrito arriba son posibles con una cierta probabilidad. Einstein, con su E=mc2

nos dice cuánta energía se requerirá para crear partículas de una cierta masa, o cuanta energía se creará cuando partículas de una cierta masa desaparezcan. Esto, como digo, pasa continuamente a nuestro alrededor. La única diferencia es que en el CERN estas cosas se provocan en condiciones controladas para poder estudiarlas con detenimiento.

Texto por: Javier Serrano

Imágenes subidas por: Víctor Vallet

Robótica en 4º de la E.S.O.

Los alumnos de cuarto han realizado un proyecto de robótica. Se trata de un robot con sensores infrarrojos que detecta los obstáculos y los esquiva. Se trata de un proyecto donde trabajan y manipulan circuitos electrónicos y donde aplican de forma práctica los conocimientos adquiridos durante el curso. Os dejamos unas fotos...

III CONCURSO DE FOTOGRAFÍA MATEMÁTICA PADRE AMADEO LÓPEZ BOMBOÍ

El pasado viernes, en la cena de fin de curso inauguramos la exposición del III Concurso de fotografía matemática. También se entregaron los premios a los ganadores. Desde el Departamento queremos agradecer a todos los participantes el esfuerzo realizado, y la calidad de las fotografías.

Podéis ver todas las fotografías del concurso pinchando aquí.

Los ganadores de esta tercera edición han sido:

1r PREMIO SECCIÓN JUVENIL: SECUENCIA DE FIBONACCI Cristian D. Duque

2º PREMIO SECCIÓN JUVENIL: 4, NÚMERO NATURAL Paula Tristante

3r PREMIO SECCIÓN JUVENIL: PARALELAS HACIA LA ETERNIDAD Aida Chambó

ACCÉSIT: VASOS A LA SEXTA Iván Masiá

1r PREMIO SECCIÓN ADULTOS: SECANTES Noemí Llorca

ACCÉSIT SECCIÓN ADULTOS: ESPIGA DE SOL Jose C. Nadal

RESPUESTAS DESDE EL CERN

¿Recordáis la entrada “Contactamos con el CERN”? Pues bien, después de un tiempo, el científico español Javier Serrano responde a las preguntas de nuestros alumnos de 2º de ESO, sobre física nuclear.

Agradecemos públicamente a Javier el trabajo realizado, ya que ha podido sacar tiempo para atender a nuestras preguntas, en medio de una agenda realmente apretada.

Hemos pensado abrir una pequeña sección en el Blog, para compartir con vosotros las respuestas de Javier.
La llamaremos RESPUESTAS DESDE EL CERN, y todas las semanas publicaremos tres preguntas-tres respuestas... Ahí van las tres primeras!

1. ¿Qué es la antimateria? ¿Existe de forma natural? ¿Para qué se utiliza?

La materia que vemos todos los días está hecha de tres tipos de partículas subatómicas: los protones, los neutrones y los electrones. Los protones y los neutrones están a su vez compuestos por unas partículas más pequeñas: los quarks.

En particular, un protón contiene dos quarks de tipo “Up” y uno de tipo “Down”. Un neutrón contiene dos quarks de tipo “Down” y uno de tipo “Up”. O sea, que la materia de todos los días está compuesta exclusivamente por electrones, quarks Up y quarks Down. Además de estas partículas elementales, hay otras, como los muones, los tau, el quark Top, etc. También son elementales en el sentido de que no están compuestas por otras (que se sepa hoy) pero son inestables: existen solamente como resultado de procesos como la desintegración, y durante espacios de tiempo muy limitados. Inmediatamente decaen en otras partículas estables.

Aparte de todo esto, cada partícula tiene una antipartícula. Existe el antielectrón, llamado más frecuentemente positrón. También existe el antiquark Up y el antiquark Down. Dos antiquarks Up y un antiquark Down forman un antiprotón.

Lo que se suele llamar antimateria son antiátomos: con un antiprotón y un positrón se hace un átomo de antihidrógeno. Los antiprotones y los positrones son estables, como los protones y los electrones, pero no se observan en la vida diaria por una característica muy curiosa de la antimateria: cada vez que una partícula colisiona contra su antipartícula, se aniquilan, desapareciendo ambas y produciendo energía por la famosa relación E=mc2.

Esto explicaría por qué hoy en día no vemos nada de antimateria en la vida cotidiana, a condición de que hubiera un exceso de materia sobre la antimateria en los primeros instantes después del Big Bang y lo que veamos hoy no sea más que ese exceso, después de que ingentes cantidades de materia y antimateria se hayan aniquilado entre sí.
 
¿Existe de forma natural? Pues sí, tan natural como la materia, pero suele sobrevivir muy poco tiempo. En cuanto un positrón encuentra en su camino un electrón se aniquila y desaparece. ¿Para qué se utiliza? Por ahora la antimateria se produce artificialmente solo en laboratorios como el CERN, con el único objetivo de observarla y comprender mejor la naturaleza. En un futuro, una vez se entienda mejor y se pueda controlar más fácilmente, se podría empezar a pensar en posibles aplicaciones...

2. ¿Qué diferencia existe entre materia oscura y energía oscura?

El Universo se está expandiendo. Esto lo sabemos porque si se mide la distancia entre dos puntos cualquiera del Universo, esta distancia está creciendo continuamente. Es como si viviéramos en la superficie de una esfera y no pudiéramos ver más que las dos dimensiones de esa superficie. Si viéramos que la distancia entre dos puntos cualquiera de esa superficie no para de crecer, tendríamos que concluir que la esfera misma está creciendo. El razonamiento sobre la expansión del universo es análogo pero con una dimensión más.

Por otra parte, sabemos que en el Universo hay mucha masa, y que la atracción gravitacional generada por esa masa debería hacer que, al menos, la velocidad de expansión del Universo decreciera con el tiempo. Esto es porque la interacción gravitacional es siempre atractiva: los cuerpos siempre se atraen. Sin embargo, las observaciones de supernovas muy distantes, hechas desde el telescopio Hubble, nos dicen que la velocidad de expansión del Universo fue menor en el pasado. En otras palabras, que la expansión, contrariamente a lo que uno podría esperar por la interacción gravitacional, se está acelerando. Esto es muy difícil de explicar. De hecho, los físicos actuales no tienen ninguna explicación al respecto. Lo único que pueden hacer es postular alguna razón e intentar descubrir mediante experimentos y observaciones si esa nueva teoría es válida.

La teoría más comúnmente aceptada en la actualidad es que existe “algo” llamado “energía oscura”, que no se sabe bien lo que es pero que hace que el Universo se expanda cada vez más rápido. Esta energía oscura tendría propiedades muy curiosas. Por ejemplo, sería una propiedad del espacio en sí, es decir que cuando se crea nuevo espacio hay una parte de energía oscura que se crea con él, de forma que la densidad de energía oscura no decrece cuando el espacio se expande. Es decir, que estamos hablando de algo que tiene muy poco que ver con la materia ordinaria que vemos todos los días.

 La materia oscura es un poco más fácil de entender que la energía oscura, por lo menos para mí. Si se observa por ejemplo la velocidad de rotación de nuestra galaxia, la Vía Láctea, se ve que es demasiado rápida si sólo se tiene en cuenta la masa de los objetos que vemos. Tiene que haber otros objetos, que no emiten ni absorben luz, que aporten el resto de masa necesaria para llegar a esa velocidad de rotación. 

El razonamiento es parecido al de la energía oscura, pero ahora estamos hablando de un lugar del Universo con límites bien definidos. No hablamos de cuál es el mecanismo de expansión del Universo ni de que cuáles tienen que ser las características de ese nuevo espacio creado. Estamos hablando de nuestro pequeño barrio en el Universo: la Vía Láctea. Todos los métodos de observación de los cuerpos celestes desde la Tierra se basan en la recepción de ondas o partículas de algún tipo. En particular, todos los telescopios ópticos se basan en la recepción de luz de los objetos que estudian. Pero puede haber objetos que por alguna razón no emitan ningún tipo de ondas ni partículas que podamos detectar fácilmente en la Tierra. Y puede que esos objetos tengan la masa suficiente para explicar, entre otras cosas, la velocidad de rotación de la Vía Láctea. Esos objetos, cuya identidad todavía no se ha establecido con precisión, son lo que llamamos “materia oscura”.

 3. ¿De qué está formada esta materia oscura?

No se sabe. Se sabe cuáles son sus efectos gravitacionales, pero no de qué está hecha. Lo que sí se sabees de qué no está hecha: no puede ser materia como la que conocemos (la que forma por ejemplo los planetas y las estrellas), porque esa materia es fácilmente visible desde la Tierra. En general, aunque no emita luz, la materia ordinaria absorbe parte de la luz que la atraviesa, y podríamos detectar las componentes de la luz que faltan al llegar a la Tierra para concluir que hay algo de materia ordinaria entre la fuente de esa luz y nosotros. La materia oscura tampoco puede ser antimateria porque entoncesal encontrar algo de materia ordinaria en su camino se aniquilaría y esa colisión produciría luz quepodríamos detectar en la Tierra y no hemos detectado. Que la materia oscura existe es un hecho aceptado más o menos generalmente, pero por ahora no se sabe de qué está hecha.

Texto: Javier Serrano
Imágenes subidas por: Víctor Vallet

Coreografías ACROSPORT

Los alumnos de 4º de E.S.O. han realizado durante el tercer trimestre unas coreografías que mezclan la fuerza, el equilibrio y la música. Aquí os dejamos los 6 vídeos (tres por clase) para que los disfrutéis.

GANADORES FINALES DEL RETO MATEMÁTICO

Y esta es el podium final de los participantes de esta primera edición del RETO MATEMÁTICO:

SECCIÓN ADULTOS:
1. CARMEN BORRÁS (24 PUNTOS)
2. RUBÉN ESPINOSA (12 PUNTOS)
3. ANA NATEK (9 PUNTOS)

SECCIÓN ALUMNOS:
1. ÁNGEL FERRER (24 PUNTOS)
2. RAFAEL RIPOLL (18 PUNTOS)

Enhorabuena y gracias a todos por participar. Los dos ganadores tendrán su obsequio en la cena final de curso.

Solución RETO 14

Ahí va la solución al último reto...

Solo hay que restar a la superficie del círculo mayor los cuatro cículos interiores. De los interiores, los dos grandes, tienen una superficie de S = p·r² , S = p·1,5² = 7,069.

De los interiores pequeños podemos observar que en el centro cabe otro círculo de las mismas dimensiones, por tanto, el radio es un tercio del radio de la círculo grande.

Su superficie por tanto será S = p·1² = 3,142

La superficie buscada será:

S_sombreada = S_{círculogrande} – 2·S_{círculointeriorgrande} – 2·S_{círculointeriorpequeño}

S_sombreada = p·3² – 2·7,069 – 2·3,142 = 28,274 – 14,138 – 6,284 = 7,852 m²

Y LOS GANADORES DE ESTA ÚLTIMA SEMANA SON…

SECCIÓN ALUMNOS: Ángel Ferrer.

Guadarrama, decimoquinto Parque Nacional

Las cumbres de la Sierra de Guadarrama (http://www.parquedeguadarrama.es/) conformarán el decimoquinto Parque Nacional de la red de espacios con la máxima protección medioambiental que hay en el país, el de mayor patrimonio natural de la Unión Europea.

La futura declaración del Parque Nacional de Guadarrama supondrá incorporar un ecosistema de alta montaña con 21.740 hectáreas pertenecientes a la Comunidad de Madrid y 14.924 a Castilla y León y se convertirá así en el quinto Parque Nacional en extensión del país.

La reunión hoy de la Red de Parques Nacionales ha decidido la declaración de las Cumbres de la Sierra de Guadarrama como Parque Nacional, designación que se hará efectiva tras su tramitación en Cortes prevista para el primer trimestre de 2013 y que incorporará los pinares de Valsaín (Segovia).

En la actualidad, la red está integrada por los parques de Ordesa y Monte Perdido, Teide, Caldera de Taburiente, Aigüestortes i Estany de San Maurici, Doñana, Tablas de Daimiel, Timanfaya, Garajonay, Archipiélago de Cabrera, Picos de Europa, Cabañeros, Sierra Nevada, Islas Atlánticas de Galicia y Monfragüe.

Los Parques Nacionales, una figura importada de EEUU, donde en 1878 se creó el primero del mundo en Yellowstone, son espacios de alto valor ecológico y cultural declarados de interés general por ser representativos del patrimonio nacional.

La futura declaración de la Sierra de Guadarrama supone añadir este ecosistema a un sistema integrado de protección bajo la tutela del Estado que se creó a comienzos de los años ochenta, tras el proceso de transferencias en materia de conservación de la naturaleza a las Comunidades Autónomas.

Hoy, la Red está integrada por ocho parques peninsulares y seis insulares, que suman más de 320.600 hectáreas, el 0,6 por ciento del territorio español.