Nick Trefethen (Universidad de Oxford) nos informa en NA Digest 10: 6, 9 Feb. 2010, que el 7 de febrero de 1985 fue la primera persona que solicitó una copia comercial de Matlab (10 licencias por 500 $) , siendo un joven profesor en el MIT. Más tarde, le informaron que su solicitud fue la primera. La primera factura para las arcas de MathWorks. Por ello, el 7 de febrero de 2010, Matlab cumple un cuarto de siglo como software comercial.
¡Felicidades a Cleve Moler, Jack Little y al resto del staff de MathWorks!
Anne Hathaway confiesa que disfruta de su tiempo libre aprendiendo física moderna y teoría de partículas elementales. "Estoy leyendo sobre Einstein y sus teorías. Me gustaría entender la teoría de cuerdas." http://tiny.cc/fan928
En diciembre de 2011 el Tevatrón del Fermilab habrá alcanzado 12 fb-1 de colisiones protón-antiprotón a 2 TeV en el centro de masas, y el LHC del CERN habrá alcanzado 1 fb-1 de colisiones protón-protón a 7 TeV. ¿Qué diferencias podemos esperar entre los resultados de ambos aceleradores? Jester, pseudónimo del físico de partículas del CERN autor del blog Resonaances, nos cuenta la diferencia en “How much is one inverse femtobarn?,” 3 February 2010. Por otro lado, Tommaso Dorigo, físico de partículas del CDF (Tevatrón) y del CMS (LHC), autor del blog A Quantum Diaries Survivor, nos cuenta las posibilidades de que el Tevatrón restringa la masa del bosón de Higgs entre 120 y 180 GeV en los próximos dos años en “Tevatron Higgs Searches: Past And Future,” February 5th 2010. Finalmente, Matthew Chalmers nos habla sobre las posibilidades de encontrar al Higgs en el LHC a sólo 7 TeV en “Higgs hunters face long haul,” Feb 4, 2010.
Antes de nada, recordaros lo que significa el inverso de un femtobarn (fb-1), que mide la efectividad de un colisionador de partículas. El área efectiva (sección transversal) de la colisión de dos haces de partículas se mide en barns (un barn son 10-28 m2 y un femtobarn son 10-43 m2). La luminosidad es proporcional a la efectividad de los detectores, es decir, al número de colisiones que son detectadas por los detectores del acelerador. La efectividad del colisionador se mide por el producto de la luminosidad integrada en el tiempo por la sección transversal de las colisiones y su unidad es el femtobarn. La luminosidad del LHC es mucho mayor que del Tevatrón, aún así alcanzar 1 fb-1 en el LHC (unos 10 billones de colisiones protón-protón) se estima que requerirá entre 18 y 24 meses.
Tevatrón: 10.000; LHC: 11.000. Número de bosones de Higgs producidos (que no detectados) suponiendo una masa de 120 GeV. Ambos experimentos tienen una sensibilidad similar a un bosón de Higgs de baja masa. En el LHC se explorarán algunas desintegraciones que no están al alcance del Tevatrón, como la desintegración de un Higgs en dos fotones, pero aún así son sucesos muy raros (0,2 % de las veces). Para diciembre de 2011 es muy difícil que un bosón de Higgs de baja masa sea observado de forma concluyente tanto en el LHC como en el Tevatrón. Eso sí, salvo que tenga una masa del orden de 160 GeV o que haya procesos más allá del modelo estándar que amplifiquen sus probabilidades de desintegración.
Tevatron: 80.000; LHC: 130.000. Pares de quarks top producidos. Tanto el LHC como el Tevatrón obtendrán un número bastante similar, por ello los tests de precisión del modelo estándar que se podrán desarrollar en ambas instalaciones darán resultados muy similares (a fecha de diciembre de 2009).
Tevatron: 15; LHC: 300. Cuarta generación de quarks con masa de unos 500 GeV (caso de que existieran). Los 7 TeV del LHC, unas 3,5 veces los 2 TeV del Tevatrón, implican una luminosidad mucho más alta en procesos de física más allá del modelo estándar con energías 3,5 veces la masa del quark top.
Tevatron: 5; LHC: 25. Bosón vectorial Z’ con una masa de 1 TeV que se acople al modelo estándar vía el isospín. El Tevatrón ha descartado un Z’ con una masa menor de 800 GeV, sin embargo, por encima de 1 TeV sus datos no son concluyentes. Si existiera un bosón Z’ con una masa de 1,3 TeV, la cuenta sería Tevatron: 0; LHC: 5. Para el LHC a 7 TeV, la detección de un Z’ es difícil (cuando alcance plena potencia, 14 TeV, podrá descartar un bosón Z’ hasta los 5 TeV).
En resumen, nos dice Jester que el LHC será afortunado en su búsqueda sólo si el Tevatrón es extremadamente desafortunado en la suya (“the LHC can be lucky if Tevatron is extremely unlucky“). Por ello, lo expertos no esperan muchas alegrías en los próximos dos años de física de partículas elementales. Aunque nunca digas nunca jamás.
Para Tommaso (Dorigo) la competición entre el Fermilab (Tevatrón) y el CERN (LHC) vivirá sus momentos más emocionantes en los próximos dos años. Para comprender por qué, hay que explicar la figura de arriba. El eje de abcisas es la luminosidad integrada y el de ordenadas el cociente R entre lo observado y lo esperado según el modelo estándar. Expliquemos esto último. Suponiendo que el bosón de Higgs tiene una masa determinada, el modelo estándar predice cuantos Higgs podrán observarse en un colisionador de partículas, sea N. Si los resultados experimentales son suficientes para observar M bosones de Higgs, pero no observan (detectan) ninguno, se dice que la tasa de producción de Higgs es inferior a R=M/N respecto al valor predicho por el modelo estándar. Un valor de R<1 para cierto valor de la masa del Higgs indica que dicho valor queda excluido (con alta probabilidad). Por otro lado, los resultados del Tevatrón resultan de la combinación de los experimentos CDF y DZERO que tienen sensibilidades similares, por lo que si ambos obtienen un valor de R=2, entonces el valor combinado es R=2/(sqrt(2))= 1,4.
La figura de arriba muestra la estimación (a fecha de noviembre de 2009) del límite R de exclusión para un Higgs con una masa de 115 GeV en el CDF en función de la luminosidad integrada empleada en el análisis (medida en fb-1). La figura muestra que un Higgs de 115 GeV podría ser excluido por el CDF tras acumular una luminosidad entre 15 y 20 fb-1 (aunque el gráfico acaba en 14/fb podemos prolongarlo “visualmente”). Para los dos experimentos del Tevatrón en su conjunto (CDF y DZERO) se estima que serán necesarios entre 7,5 y 10 fb-1 en cada uno. Según Tommaso, para diciembre de 2011 es bastante razonable que ambos experimentos hayan acumulado al menos unos 10 fb-1, con lo que él espera que entonces el Tevatrón habrá sido capaz de excluir un bosón de Higgs en el rango de 120 a 180 GeV.
Excluir el bosón de Higgs, pero no encontrarlo. Tommaso nos recuerda que incluso si el bosón de Higgs tuviera una masa de 120 GeV, sería muy difícil encontrarlo en el Tevatrón en los próximos dos años. Eso sí, se observaría que la región de exclusión (R<1) se resistiría a acercarse al valor de 120 GeV lo que se interpretaría como una evidencia de un Higgs de dicha masa pero nunca como un descubrimiento.
En resumen, para Tommaso la batalla entre Tevatrón y LHC se decanta en los próximos 2 años por el Tevatrón. Un LHC con una energía 3,5 veces más grande no es suficiente para superar la ventaja de 8 años de datos ya acumulados en el Tevatrón. Aún así, Tommaso está entre los que creen que el Higgs se descubrirá en el LHC a partir de 2013 cuando el Tevatrón ya sea historia.
Chalmers coincide con Tommaso en que estamos en uno de los momentos más interesantes de la física de partículas elementales con una fuerte compentencia entre el Tevatrón y el LHC. Aún así, descubrir el bosón de Higgs en el LHC a 7 TeV requiere más del doble de datos que a 10 TeV. Pero operar con dos haces a 5 TeV es mucho más peligroso para la instalación que hacerlo a 3,5 TeV. De hecho, durante el año 2012 habrá que reemplazar las más de 10000 conexiones eléctricas de los imanes superconductores por conexiones más robustas antes de acometer un incremento de energía en los haces de protones. La búsqueda de un Higgs en un LHC a sólo 7 TeV durante dos años, como mucho permitirá excluir la masa del Higgs en el rango de 155 a 175 GeV (algo que seguramente ya habrá hecho el Tevatrón).
El artículo “Small is beautiful, and dry,” de los chinos Quanshui Zheng, Cunjing Lv, y Pengfei Hao, y el australiano John Sheridan, ArXiv preprint, 4 Feb. 2010, presenta un apéndice en el que se incluyen copia de las cartas de rechazo de dicho artículo por parte de los editores de Nature y Nature Materials. Obviamente, no es algo habitual y me han llamado la atención. También me han llamado la atención las figuras con gotas rebotando en una superficie superhidrofóbica, que se supone provienen de unos vídeos que acompañarán al artículo una vez esté publicado (no he logrado encontrar dichos vídeos en la página web de los autores). La superhidrofobicidad es una propiedad que observamos en muchos materiales, como las hojas de ciertas plantas. Un líquido (agua) no moja la superficie y desliza por ella de forma natural (como las gotas de rocío en las hojas de muchas plantas). Los interesados en estos temas disfrutarán con una excursión por la wikipedia. Brevemente, la ley de Wenzel para el mojado en superficies rugosas no permite explicar la superhidrofobicidad por lo que se utiliza en su lugar la ley de Cassie-Baxter. Muchos investigadores han propuesto modificaciones de ley de Cassie-Baxter y Zheng et al. hacen lo propio en su artículo, fórmula (2), que incorpora una longitud crítica para tener en cuenta el efecto de las cavidades de aire que quedan en los huecos que la superficie rugosa presenta. Los autores del artículo proclaman que la nueva ley que han descubierto permite explicar mejor la superhidrofobicidad en muchos materiales. Presentan mútiples resultados experimentales que validarían su propuesta. Los interesados en más detalles pueden recurrir al artículo, que se lee fácil.
En este entrada quería hacerme eco de la historia en Nature del manuscrito. Quanshui Zheng lo envió a Nature el día 9 de junio de 2009 y recibió una rápida respuesta, el 11 de junio, de Stefano Tonzani, Associate Editor, indicándoles que no era adecuado para publicación en Nature (“we regret that we are unable to publish it in Nature [...] the paper would find a more appropriate outlet in a specialist journal, rather than Nature“). Según Tonzani, su artículo era interesante para especialistas en superhidrofobicidad pero al no incluir ningún avance científico de tipo conceptual es difícil que pudiera llegar a excitar el interés inmediato de investigadores de otras disciplinas. La decisión de los editores no refleja ningún tipo de duda sobre si el trabajo es de calidad o no lo es, es sólo una decisión editorial. Quanshui Zheng protestó ante el editor principal de Nature solicitando que el artículo fuera enviado a revisores. El 9 de octubre de 2009 le contestó Rosamund Daw, Senior Editor, con la misma respuesta: no creen que el artículo vaya a tener un impacto suficiente como para merecer ser publicado en Nature (“we do not feel that the paper presents the sort of wider impact [...] that would demand a full Letter in Nature. We do feel that the paper would find a more appropriate outlet in a specialist journal“). Quanshui Zheng decidió enviar el artículo a Nature Materials, el día 26 de noviembre de 2009. Ahora sí pasó por revisores y el 18 de diciembre de 2009 recibió la respuesta: su artículo fue rechazado. Los revisores consideran que el avance obtenido respecto a resultados previos no es suficiente para que el artículo merezca ser publicado en Nature Materials.
Y es que hoy en día mucha gente está proponiendo modificaciones de la ley de Cassie-Baxter desde el trabajo de Didem Öner y Thomas J. McCarthy, “Ultrahydrophobic Surfaces. Effects of Topography Length Scales on Wettability,” Langmuir 16: 7777-7782, 2000. ¿Enviarán Zheng et al. su artículo a la revista Langmuir? El índice de impacto de Langmuir en 2008 según el ISI JCR es de 4,1, que es alto, pero no tanto como el de Nature Materials que tiene 23,1 (el de Nature es 31,4). Como estos números en absoluto no significan nada, aclararé que Langmuir está en la categoría Physical Chemistry, en el puesto #23 de 113 (Nature Materials ocupa el puesto #1). Obviamente, los autores también podrán optar por muchas otras revistas, como Advanced Materials, #4, o Advanced Functional Materials, #6 (las otras que están en los primeros puestos son revistas de artículos de revisión para las que el artículo de Zheng no es adecuado, salvo que lo reescriban completamente).
La labor del revisor es dura, sobre todo si uno tiene prestigio en su área y recibe un gran número de solicitudes por parte de revistas de alto impacto. Por ello, debemos elogiar las iniciativas a favor de destacar la labor de los revisores que hacen su trabajo de forma excelente. En 2008, la Sociedad de Física Americana (APS por American Physical Society) decidió seleccionar entre los revisores científicos de las revistas que publica los 150 más destacados de cada año. Los dos primeros años 2008 y 2009 se fueron destacados muchos más que se seleccionaron entre los más de 45.000 desde 1978 (APS Outstanding Referees Program). La mención como revisor destacado de la APS premia la labor realizada por el revisor y tiene la categoría de premio a la trayectoria como revisor por lo que se puede recibir sólo una vez en la vida. Por tanto, es un honor del que presumir de por vida.
La distribución por países es la siguiente: EE.UU. (593), Alemania (106), Reino Unido (48), Francia (34), Canadá (34), Israel (23), España (19), Holanda (16), Japón (14), Italia (10), Suecia (10), y el resto de países tiene menos de 10. Como vemos, España tiene el honor de ser el séptimo país con más revisores destacados. En 2008, 2009 y 2010 se destacaron 2, 12 y 5 españoles, respectivamente. Un total de 19 físicos y científicos españoles o que actualmente están afiliados a una institución española. Creo que merece la pena que destaquemos sus nombres (algunos son todavía jóvenes).
La ley de Joule afirma que cuando circula corriente eléctrica por un hilo conductor parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren con los átomos del material conductor. El efecto Joule es aprovechado en las estufas y en los hornos eléctricos, pero también puede aprovecharse para producir sonido (o música). Arnold y Crandall en 1917 propusieron el uso de efectos termoacústicos para producir termófonos, que no se han hecho realidad hasta ahora. Los finlandeses Niskanen et al. del VTT han logrado realizar esta idea gracias a la nanotecnología. Han fabricado un altavoz termoacústico capaz de alcanzar 100 dB de potencia acústica a 20 KHz en una distancia de sólo 7 cm y consumiendo 17 W de potencia eléctrica. Estos números no asombrarán a nadie. Un altavoz convencional es mucho más eficiente, sólo requiere 1 W para lograr lo mismo a una distancia de 1 m. El nuevo termoaltavoz usa 200.000 nanohilos paralelos de aluminio suspendidos sobre un sustrato de silicio y tiene una área total de pocos centímetros cuadrados. Los hilos tienen 200 μm de largo, 3 μm de ancho y sólo 30 nm de grosor. Niskanen et al. han llamado a sus termoaltavoces con el ostentoso nombre de “trompetas nanotérmicas” ya que generan sonido gracias al cambio de la temperatura en el aire que rodea el conjunto de nanohilos. Como el altavoz nanotecnológico utiliza tecnología de circuitos integrados, es posible incorporarle una memoria ROM con música pregrabada y una lógica de control, lo que permite utilizar como un altavoz “minicadena” para ciertas aplicaciones dedicadas. Realmente curioso. Nos lo cuenta Rama Venkatasubramanian, “Applied physics: Nanothermal trumpets,” News and Views, Nature 463: 619, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de los finlandeses A. O. Niskanen et al. (VTT Technical Research Centre of Finland), “Suspended metal wire array as a thermoacoustic sound source,” Appl. Phys. Lett. 95: 163102, October 29, 2009.
Las telas de araña suelen estar decoradas con gotas de rocío. La seda de araña es capaz de recolectar humedad (agua) del aire de forma muy eficiente y no necesita del rocío matinal para adquirir su aspecto perlado. Zheng et al. han encontrado la razón física y han fabricado fibras artificiales que exhiben la misma capacidad de recolección de agua. En un futuro, estas fibras permitirán la fabricación de tejidos para prendas de vestir que imitarán a los escarabajos del desierto, en cuya espalda se ha observado un patrón de regiones hidrofóbicas e hidrofílicas micrométricas que les permite capturar agua del aire húmedo. Telas de araña para salvar al sediento en el desierto. Quizás, sólo futurología, pero quien sabe… Nos lo cuenta Magdalena Helmer, “Biomaterials: Dew catchers,” News and Views, Nature 463: 618, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo científico de Yongmei Zheng et al., “Directional water collection on wetted spider silk,” Nature 463: 640-643, 4 February 2010.
Zheng et al. han estudiado fibras de seda de la araña Uloborus walckenaerius utilizando un microscopio electrónico. Han observado que el contacto inicial con el agua provoca que las fibras hidrofílicas se reestructuren generando nudos separados entre sí por hilitos donde la fibra es cuatro veces más delgada. El agua se condensa aleatoriamente en estos nudos y en las intersecciones o uniones entre fibras de la tela de araña. Las gotitas crecen mejor en las uniones acumulando humedad del aire hasta alcanzar un tamaño crítico a partir del cual se deslizan por los hilitos hasta acumularse en las gotas que se encuentran en los nudos, liberando la intersección para volver a repetir el ciclo de condensación y recolección. Zheng et al. han demostrado que la microestructura de las fibras de seda es fundamental para la recolección de agua. Los hilos de las telas de araña están formados por nanofibras distribuidas aleatoriamente que producen una superficie rugosa, pero las nanofibras en las uniones entre hilos están alineadas y presentan una superficie lisa. Esta diferencia es la responsable de la formación de un gradiente de energía superficial que provoca que las gotas de agua se deformen y sufran fuerzas de tensión superficial que dirige las gotas de agua desde los uniones entre fibras hasta los nudos en los hilos. La rugosidad de los hilos es debida a la orientación y al alineamiento de las nanofibras. Un gran trabajo de investigación que promete importantes repercusiones tecnológicas en la industria textil.
El metano (CH4) es un poderoso gas de efecto invernadero en las atmósferas planetarias. En la atmósfera terrestre, el que no tiene origen antropogénico, ha sido producido por bacterias anaerobias y microorganismos metanógenos. Por ello, las trazas de metano en la atmósfera de un planeta llevan a los astrobiólogos a pensar en vida extraterrestre. Por ejemplo, Titán, satélite de Saturno, presenta grandes cantidades de metano atmosférico, aunque se cree que es debido a la presencia de hielo superficial, rico en este compuesto. Se publica hoy en Nature la observación por primera vez de metano (emisión por fluorescencia de este compuesto) en un planeta extrasolar de tipo Júpiter, llamado HD 189733b, alrededor de una estrella de tipo Solar. Probablemente el origen de este metano es fotoquímico, se forma gracias al carbono, oxígeno e hidrógeno de su atmósfera por irradicación de su estrella. De hecho, la fluorescencia ocurre cuando un átomo absorbe un fotón, se excita a un nivel de energía más alto, y decae más tarde emitiendo luz con menor energía. La fluorescencia debida al metano observada por Swain et al. ya ha sido observada en planetas del sistema solar, como Júpiter y Saturno, y en Titán. En HD 189733b el fenómeno es muy intenso porque es un planeta tipo Júpiter muy cercano a su estrella (menos de una décima parte la distancia entre Mercurio y el Sol). El estudio de la atmósfera de los planetas extrasolares ofrecerá muchas sorpresas en los próximos años y habrá que estar atento a los nuevos descubrimientos. Nos lo cuenta Seth Redfield, “Extrasolar planets: Fluorescent methane spotted,” News and Views, Nature 463: 617-618, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Mark R. Swain et al., “A ground-based near-infrared emission spectrum of the exoplanet HD 189733b,” Nature 463: 637-639, 4 February 2010.
Un avance revolucionario del año 2007 fue el descubrimiento de las células madre pluripotentes inducidas, que se podían reprogramar células adultas para que sean tan pluripotenciales como las células madre embrionarias. Un nuevo estudio muestra que la clave en esta reprogramación son los ARN micro (ARNmi), pequeños trozos de ARN no codificante (no se traducen a proteínas) que son complementarios a ciertos ARN mensajero (que sí se traducen en proteínas) y regulan la expresión de dicho ARNm, bloqueando la traducción de la proteína y facilitando la digestión del ARNm que es eliminado. Las células madre embrionarias muestran altos niveles de ARNmi embrionarios (como LIN-28, MYC, y ESCC) y bajos niveles del ARNmi de la familia de los let-7. Las células diferenciadas, por el contrario, presentan altos niveles de let-7 y bajos niveles de ARNmi embrionario. El nuevo trabajo de Melton et al. sugiere que para la reprogramación de células el camino más adecuado es la manipulación del contenido de ARNmi celular. Además, este descubrimiento tendrá repercusiones en el estudio de ciertos cánceres que se cree que son provocados por células embrionarias mal programadas. Quizás sea futurología, pero los ARNmi podrían ser parte de las estrategias terapéuticas para combatir los tumores cancerígenos. Nos lo cuenta Frank J. Slack, “Stem cells: Big roles for small RNAs,” News and Views, Nature 463: 616, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Collin Melton, Robert L. Judson, Robert Blelloch, “Opposing microRNA families regulate self-renewal in mouse embryonic stem cells,” Nature 463: 621-626, 4 February 2010.
La física cuántica parece la parte de la física más alejada de la biología, ya que la coherencia cuántica parece poco importante en macromoléculas bioquímicas. Sin embargo, el estudio de la fotosíntesis en algas indica que su alta eficiencia es debida al uso de la coherencia cuántica. Por primera vez, dicho fenómeno ha sido observado experimentalmente a temperatura ambiente (antes se había observado por debajo de 77 K). La proteínas fotosintéticas que absorben fotones solares y excitan electrones en moléculas de clorofila actúan como un computador cuántico. Elisabetta Collini et al. han investigado dos tipos de moléculas captadoras de luz solar (antenas) que han excitado usando un par de pulsos láser ultracortos (de 25 fs, femtosegundos) creando una superposición cuántica de sus estados electrónicos excitados, de sus funciones de onda cuánticas. Un tercer pulso láser induce la emisión de un fotón adicional (llamado “eco”) que permite la medida precisa de la evolución del sistema (el método experimental se denomina espectroscopía con fotón-eco en 2D). Las oscilaciones de estos estados excitados observadas corresponden a lo esperado según las simulaciones por ordenador de la mecánica cuántica de este proceso. Más aún, se ha observado que los estados cuánticos coherentes tienen una vida mucho más larga de lo esperado (más de 400 fs). Las algas logran evitar la decoherencia del estado cuántico (que daría una vida media menor de 100 fs) gracias a ciertos enlaces covalentes en las moléculas que actúan como antenas. El problema de optimizar la distribución de la energía solar entre un grupo de moléculas de clorofila evitando los posibles mínimos de energía que degradarían su eficiencia es resuelto en las algas fotosintéticas gracias a un proceso cuántico, una optimización cuántica, que actúa como un ordenador cuántico adiabático. En resumen, un gran artículo que nos indica que los estados cuánticos coherentes en las moléculas fotosintéticas son uno de los grandes responsables de la gran eficiencia energética de la fotosíntesis en algas. Nos lo cuentan Rienk van Grondelle, Vladimir I. Novoderezhkin, “Photosynthesis: Quantum design for a light trap,”News and Views, Nature 463: 614-615, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Elisabetta Collini et al., “Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature,” Nature 463, 644-647, 4 February 2010.
El vehículo robótico Spirit fue diseñado para una misión de 90 días marcianos. Llegó a suelo marciano en enero de 2004. En 90 días marcianos logró recorrer unos 600 metros. En octubre de 2006 ya había logrado superar los 1000 días marcianos y logró superar su propio “efecto 2000″ gracias al apoyo de los técnicos en Tierra. En enero de 2009, Spirit empezó a sufrir su propio “Alzheimer” y los técnicos encontraron problemas para entender los datos que enviaba. En abril de 2009, un Spirit “enfermo” decidió autoprovocarse dos reboot (“apaga y enciende”) consecutivos. En un lugar llamado Troya, Spirit quedó atrapado en la arena, con una rueda rota, incapaz de escapar de su “cárcel.” Con una réplica en la Tierra se estudió la situación y se descubrió cómo podría escapar. En noviembre de 2009, Spirit logró ascender unos centímetros, pero se le rompió otra rueda. Finalmente, el 26 de enero de 2010, tras haber recorrido 7.730 metros, se decidió dejarlo allí para siempre. Desde su “tumba” seguirá enviando señales de radio de sus observaciones sobre la atmósfera y la rotación de Marte. Mientras, su “hermano,” el vehículo Opportunity, sigue “vivo y coleando” dirigiéndose hasta el cráter Concepción. Nos lo cuenta Katharine Sanderson, “Mars rover Spirit (2003–10). NASA commits robot explorer to her final resting place,” Nature 463: 600, Feb. 4, 2010.
Permitidme un par de vídeos sobre el National Ignition Facility (NIF) en los Lawrence Livermore National Laboratories, en el norte de California. Un reactor de fusión por confinamiento inercial cuya ignición es provocada por 192 láseres de alta potencia. El primer vídeo es del programa Horizon de la BBC y el segundo del propio NIF del LLNL.
¿Existen los neutrinos estériles? No, según el experimento MINOS que estudia un haz de neutrinos muónicos producido en el Fermilab tras recorrer 735 km. de distancia hasta una mina en el norte de Minnesota. El experimento es capaz de detectar el número total de neutrinos, así como el número de neutrinos electrónicos y muónicos. El experimento presenta evidencia de que los neutrinos no se desintegran (en fotones) ni oscilan (cambian de identidad) en neutrinos estériles. En física nunca se puede decir nunca jamás, pero la evidencia observada en 1995, en el experimento LSND en Los Álamos, que llevó a la propuesta de un cuarto neutrino “estéril”, que no interactúa a través de la fuerza electrodébil, confirmada por dicho expeirmento en 2001, se diluye conforme pasan los años y otros experimentos van obteniendo resultados en su contra, como MiniBooNE, INTEGRAL y ahora MINOS. Nos lo cuentan en Calla Cofield, “New MINOS results “strongly disfavor” sterile neutrino, neutrino decay,” February 2, 2010, haciéndose eco de un artículo enviado a Physical Review D y disponible como preprint, The MINOS Collaboration, “Search for sterile neutrino mixing in the MINOS long baseline experiment,” ArXiv, 2 Jan 2010.
El experimento MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) estudia la oscilación de los neutrinos (su cambio de identidad conforme se propagan) debida a que tienen una masa en reposo no nula. El modelo estándar predice sólo tres familias de neutrinos (ratificado por el LEP2 del CERN), sin embargo, varios modelos de física más allá del modelo estándar, como ciertas teorías de gran unificación y la teoría de cuerdas, predicen la existencia de al menos una cuarta familia de neutrinos, llamados estériles porque no sufre la fuerza electrodébil, ni la fuerza fuerte, sólo la gravedad. Estas teorías predicen que los 3 neutrinos convencionales podrían oscilar (cambiar de identidad) en un neutrino estéril. ¿Por qué los físicos buscan con tesón los neutrinos estériles? Porque el experimento LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) encontró un déficit de neutrinos que no apuntaba a la oscilación de neutrinos sino a la existencia de neutrinos estériles o a la desintegración de neutrinos. De hecho, el experimento MINOS también ha estudiado la posible desintegración de los neutrinos muónicos generados en el Fermilb y ha encontrado que los datos experimentales se explican mejor cuando estos neutrinos oscilan pero no se desintegran (decaen).
Hoy se publica oficialmente la noticia sobre la planificación del LHC del CERN para este año (News at CERN). Seguramente ya lo sabréis todos, se decidió que a finales de este mes se pondrá en marcha el LHC y durante los próximos dos años (2010 y 2011) funcionará a media máquina, con una energía por haz de protones de sólo 3,5 TeV (la mitad de los 7 TeV para los que fue diseñado). El 5 de febrero será el workshop en el CERN que explicará en detalle esta decisión tomada el 29 de energo. El LHC funcionará a esta energía intermedia hasta que se alcancen el inverso de un femtobar de datos o hasta que llegue diciembre de 2011, lo primero que ocurra (si no hay nuevos problemas, se podría alcanzar 1 fb-1 alrededor de octubre de 2011, difícilmente antes). Aunque el año pasado se dijo que de 3,5 TeV en pruebas se pasaría a tomar datos a 5 TeV y finalmente a 7 TeV, por razones de seguridad la nueva planificación a preferido obviar pasar por 5 TeV y tomar datos de colisiones durante un par de años a sólo 3,5 TeV por haz, para luego, tras un año (al menos 11 meses) de preparación posterior, dar el salto definitivo a las 7 TeV. Casi seguro en diciembre de 2012 el LHC del CERN no habrá colisiones en el LHC del CERN. ¿Qué se puede esperar de estos 2 años de pruebas y toma de datos de colisiones? Probablemente poco. Con una energía en las colisiones sólo 3,5 veces más alta que la del Tevatrón del Fermilab y sólo dos años tomando datos será muy difícil que se observe algo nuevo. Para los interesados en más detalles recomiendo el estupendo artículo de Adrian Cho, “Europe’s LHC to Run at Half-Energy, Tightening Race for Higgs,” ScienceInsider, February 2, 2010.
El LHC del CERN no tendrá colisiones a 14 TeV en el centro de masa hasta 2013, como pronto. Por cierto, el Tevatrón del Fermilab se espera que funcione hasta diciembre de 2011 (o hasta alcanzar 12 fb-1 en el detector DZero). Todavía no se ha decidido si funcionará durante 2012, lo que permitiría alcanzar solamente 15 fb-1 en DZero y difícilmente permitirá ningún descubrimiento nuevo. El gasto de mantener en funcionamiento el Tevatrón durante un año más (2012) es muy alto y todavía no está claro si está justificado. Habrá que esperar unos meses para conocer la decisión definitiva, aunque todo apunta a que el año 2012 será un año sin Tevatrón y sin LHC.
”Not only God knows, I know, and by the end of the semester, you will know,” Sidney Richard Coleman (dirigiéndose a sus alumnos). Siempre pegado a un pitillo, con parsimonia, desgrana los secretos de la física de partículas elementales para el disfrute de sus alumnos. Si no eres físico no sabrás quien es Sidney Coleman (1937-2007), “el físico de los físicos.” Físico prodigioso, padre junto a Mandula de la supersimetría [0], antes de que se inventara la teoría de cuerdas, es uno de los físicos más citados de la historia (más de 17800 citas en el ISI WOS y un índice-h de 47). Sus clases en Harvard son legendarias (sus alumnos portaban camisetas con su imagen). Si eres físico querrás disfrutar de sus clases, que están en vídeo (DVD) y gratis por Internet. “Physics 253: Quantum Field Theory,” Lectures by Sidney R. Coleman, Recorded in 1975-1976. Realmente merecen la pena.
Yo estudié hace tres lustros el teorema de bosonización de Coleman, que afirma que un gas unidimensional de electrones (fermiones masivos) es equivalente a un gas de bosones escalares (sin masa). Técnicamente, que el modelo de Thirring masivo en 1+1 dimensiones es equivalente a la ecuación de seno-Gordon unidimensional [1]. No estudié la demostración del teorema (Rajamaran sólo la esboza en su libro). Ahora me entero de que el teorema de Coleman era en realidad una conjetura, su demostración no era rigurosa [2]. El teorema de Coleman ha sido demostrado rigurosamente por G. Benfatto, P. Falco, y V. Mastropietro quienes lo han publicado en Communications in Mathematical Physics [3]. Estas cosas pasan con muchas demostraciones “matemáticas” escritas por físicos. El físico omite ciertas sutilezas “triviales” que provocarían que un matemático se llevase las manos a la cabeza. “El conocimiento matemático se considera como conocimiento seguro, absoluto y eterno. Pase lo que pase, dos más dos son, y siempre serán, cuatro.“ [4] Sin embargo, todo conocimiento, incluso el matemático, requiere un contexto. Una demostración considerada correcta en cierto contexto no tiene por qué serlo en otro contexto distinto. Muchas demostraciones elementales del cálculo infinitesimal tenían demostraciones pre-Cauchy que hoy en día no consideramos correctas [5]. El Cálculo Infinitesimal se convirtió en Análisis Matemático gracias a sus apuntes ”Cours d’analyse” (1821), y sus dos libros “Sur le calcul infinitesimal” (1823) y “Le calcul différentiel” (1829) [5].
Ahora que estoy liado escribiendo proyectos de investigación para tratar de recabar el dinero del contribuyente, creo que es tan buen momento como cualquier otro para volver a disfrutar con el curso de teoría de campos cuánticos de Coleman. Y es que Sidney ha producido artículos con títulos tan sugerentes como “Why there is nothing rather than something: A theory of the cosmological constant,” Nuclear Physics B 310: 643-668, 1988.
El 19 de enero los heliofísicos observaron una llamarada solar de clase M (de energía intermedia entre las clases X y C), la mayor en los últimos dos años. La aparición de una mancha solar dio inicio al (tan esperado) ciclo solar número 24. Los ciclos se repiten con una periodicidad aproximada de 11 años, pero el ciclo 23 ha durado 12,5 años (el más largo desde 1823 y el tercero más largo desde 1755). El ciclo solar número 24 se espera que no sea muy intenso, menos que el 23, con un máximo que se alcanzará en 2013 de sólo 90 manchas solares diarias (aunque algunos heliofísicos, como la Dra. Mausumi Dikpati no están de acuerdo y piensan que será más intenso que el 23, que alcanzó un máximo alrededor de 120, alcanzando hasta 150). Nos lo cuenta Lizzie Buchen, “What will the next solar cycle bring? Orbiting mission will probe the Sun’s activity, including flares that can disrupt electricity grids,” News, Nature 463: 414, 28 Jan. 2010 [ver figura de abajo]. Las predicciones para el ciclo 24 ofrecidas el año pasado las resumen bien en “Scientists Predict Solar Cycle 24 to Peak in 2013” [ver figura de arriba].
Lizzie aprovecha la ocasión para hablarnos del satélite de la NASA llamado Observatorio de la Dinámica Solar (Solar Dynamics Observatory o SDO), cuyo lanzamiento se ha planificadao para el 9 de febrero. Esta sonda estudiará con detalle el máximo de actividad solar del ciclo 24, ya que será capaz de obtener imágenes del Sol cada 10 segundos durante al menos 5 años (actualmente, los heliofísicos obtienen 1 o 2 imágenes del Sol al día y sólo pueden estudiar la cara del Sol que apunta hacia la Tierra).
PS (01 feb. 2010): Vídeo 3D que muestra el lanzamiento del SDO y (más abajo) un vídeo sobre la ciencia que se desarrollará en el SDO (en inglés).
Estoy leyendo el libro del matemático Marcus du Sautoy, “Simetría. Un viaje por los patrones de la naturaleza,” Acantilado, 2009. El autor del famoso libro “La música de los números primos,” Acantilado, 2007, presentó en España su nuevo libro en octubre de 2009.
Ya he empezado y ya he acabado los tres primeros capítulos. El libro está muy bien y desde aquí lo recomiendo. Aunque no me gusta que hable tanto de su hijo, parecen historias de viejo “chochete,” al más puro estilo de Leopoldo Abadía, la lectura es fácil pero te hace pensar y descubres cosas que no sabías. Eso es lo más importante de un libro de divulgación, disfrutar y aprender, disfrutar aprendiendo. Os pongo un ejemplo.
“Uno de los programas de televisión que más me impactaron durante la búsqueda de cosas matemáticas en mi adolescencia fue “El ascenso del hombre” de Jacob Bronowski. Me viene un vivo recuerdo de una escena del programa en la que Bronowski está sentado en la Alhambra hablando de la simetría. Lo recuerdo en el harén, explicando cómo las paredees están cubiertas de simetrías sexy en vez de imágenes de mujeres sexy.”
¿Bronowski? ¿Quién es Bronowski? Yo no recuerdo haber visto nunca un documental de este señor. Lo busco en Internet y descubro que es el “padre” de Carl Sagan, el divulgador que inspiró la obra magistral “Cosmos.” Y youtube nos permite disfrutar de estos documentales (13) a trocitos (cada capítulo en 5 partes de 10 minutos). Todo un placer. Los he disfrutado… oyéndolos, ya que los he escuchado de fondo mientras trabajaba. Buscaba la escena de la Alhambra, pero me los he tragado todos. Muchas escenas de Bronowski me recuerdan mucho a escenas en las que he visto a Sagan, pero rodadas casi una década antes. Me han resultado curiosas las escenas con ordenadores, con pantallas vectoriales, utilizando dos ruedas en lugar de ratón, … y una teatralidad que recuerda muchísimo a “Cosmos.”
Os los recomiendo, aunque están en inglés, merecen la pena.
Para abriros boca, el capítulo donde aparece la Alhambra es el siguiente, a partir del minuto 3 y 58 segundos. Es una pena, pero se corta justo en la escena que cita Marcus en su libro y hay que continuar con la siguiente parte, que también os dejo aquí.
El “ratón” de ruedas los podéis disfrutar en el minuto 4 y 30 segundos de la siguiente parte
Por supuesto, lo mejor es ver todos los capítulos en su orden porque como en “Cosmos” de Sagan el orden de los capítulos está muy bien pensado y presenta una solución de continuidad muy curiosa y cuidada. Lo dicho, os dejo el primer capítulo, primera parte, y os animo a que me abandonéis y paséis a youtube (pinchad en el logo “Watch on youtube”) y allí vayáis pinchando en los “Vídeos relacionados” (a la derecha de la pantalla) para ir pasando a las siguientes partes y capítulos. Aunque sea con ciertos intermedios (mientras uno cambia de parte), podréis disfrutar, como yo, de esta obra magistral de la divulgación televisiva.
Según LEP2 la masa del bosón de Higgs del modelo estándar es superior a 114,4 GeV/c² con un 95% C.L. (aquí qué significa un límite de confianza estadística). Los experimentos CDF y DZero combinaron sus datos sobre las búsquedas del Higgs y publicaron el año pasado (24 de marzo de 2009 [1]) un límite que excluía un Higgs con una masa en el intervalo 160 < mH < 170 GeV/c². Ahora, con más del doble de datos (es decir, de luminosidad), resulta que dicho intervalo se ha reducido a 162<mH<166 GeV/c². ¡Se ha reducido! Todo el mundo espera que a más datos, los límites de exclusión crezcan, pero no es así siempre. El análisis estadístico de los datos ofrece este tipo de sorpresas. La figura de arriba os muestra el nuevo límite de exclusión combinado (arriba) y los nuevos límites sin combinar obtenidos en el CDF (abajo izquierda [3]) y DZero (abajo derecha [4]). Quizás también os sorprenda que los límites individuales son mucho peores que el resultado combinado, pero esto también es habitual en estadística. A más información (más luminosidad), el resultado combinado, el resultado es mucho mejor.
Los interesados en más información sobre la búsqueda del bosón de Higgs disfrutarán del artículo (gratis) de la profesora Gail G. Hanson, “Searching for the Higgs,” Physics 2: 106, 14 Dec 2009. Los que tengan acceso universitario a Nature, también podrán hacerlo con Jenny Hogan, “Behind the hunt for the Higgs boson,” News, Nature 445: 239, 18 Jan 2007. También merece la pena leer el artículo del “padre” de la “partícula de Dios,” el Premio Nobel de Física (1988) Leon Lederman, “The God particle et al.,” Nature 448: 310-312, 19 July 2007.
Y ya que estamos, no puedo dejar de recomendar para todos los aficionados a la física de partículas elementales el interesantísimo suplemento de Nature dedicado al LHC del CERN, que contiene 8 artículos de acceso gratuito para todos “Nature Insight: The Large Hadron Collider,” 448: 269-312, 2007. El que más me gusta releer es el del también Premio Nobel de Física (1999) Gerard ‘t Hooft, “The making of the standard model,” Nature 448: 271-273, 19 July 2007.
Un nuevo estudio del experimento CDF del Fermilab ha buscado bosones de Higgs supersimétricos de baja masa (4 GeV/c²) en desintegraciones de quarks top de tipo t → H± b → W± A b → W± b τ τ, el top se desintegra un bottom y un Higgs supersimétrico cargado, que a su vez se desintegra en un bosón W y un Higgs neutro, que a su vez produce un par de leptones tau. El nuevo estudio mata dos pájaros de un solo tiro, siendo la evidencia más fuerte hasta el momento de la supersimetría y de la existencia del bosón de Higgs. No nos engañemos, todavía es pronto para proclamar un descubrimiento definitivo. Pero la evidencia clama al cielo. Observad en la figura de la izquierda cómo los datos experimentales observados (triángulos naranjas) siguen la curva predicha teóricamente (curva naranja). La evidencia es fuerte, aunque no definitiva.
El teorema CPT afirma que toda teoría cuántica de campos es invariante ante transformaciones simultáneas que involucren la conjugación de carga (C), operación en la que todas las partículas se substituyen por sus antipartículas, la inversión de la paridad (P), en la que se cambia la dirección del espín de todas las partículas por su opuesta, y la inversión temporal (T), en la que se invierte el sentido de la flecha del tiempo. Se sabe experimentalmente que ciertas partículas violan la simetría CP, lo que permite explicar la asimetría entre materia y antimateria tras los primeros momentos de la Gran Explosión.
El bosón de Higgs es una partícula predicha por el Modelo Estándar y sus extensiones que todavía no ha sido encontrada. En el Modelo Estándar mínimo existe un sólo bosón de Higgs que es una partícula escalar neutra. ¿Viola o conserva la simetría CP el bosón de Higgs? Si el bosón de Higgs conserva la simetría CP necesariamente tiene que haber al menos dos bosones de Higgs neutros, uno con simetría CP-par y otro con simetría CP-impar. Si hay un solo bosón de Higgs, debe violar la simetría CP y se asume que será CP-par. Esta última es la predicción del Modelo Estándar mínimo.
La supersimetría es una simetría física que asocia a cada partícula elemental del modelo estándar otra partícula gemela, su supercompañera, de tal forma que si la partícula es un bosón (fermión), la superpartícula será un fermión (bosón). Como la supersimetría no se observa a baja energía, la supersimetría debe ser una simetría rota y por tanto la superpartícula tiene que tener una masa mucho mayor que la masa de la partícula. Quizás por ello no hemos observado todavía ninguna superpartícula. Hay muchas maneras de introducir supersimetrías en el Modelo Estándar, es decir, se pueden añadir muchas supersimetrías a las simetrías del modelo estándar. La versión más sencilla se denomina Modelo SuperSimétrico Mínimo (MSSM). En una teoría supersimétrica hay como mínimo cinco bosones de Higgs: tres partículas neutras y dos partículas cargadas de carga opuesta. Si la simetría CP se conserva, entre los tres bosones de Higgs neutros, tiene que haber dos bosones de Higgs con simetría CP-par, uno pesado y otro ligero (H y h), donde se supone que el pesado (H) es el bosón de Higgs del Modelo Estándar, y un bosón de Higgs con simetría CP-impar (A). Los otros dos bosones de Higgs cargados (H±) tienen simetría CP opuestas. En el Modelo SuperSimétrico Siguiente-al-Mínimo (NMSSM), que incluye un supercampo adicional, hay siete bosones de Higgs, tres bosones neutros con simetría CP-par (h1, h2, h3), dos bosones neutros con CP-impar (a1, a2), y un par de Higgs cargados (H±).
¿Qué masas pueden tener estos bosones de Higgs supersimétricos? Igual que el Modelo Estándar no predice la masa del bosón de Higgs, la supersimetría tampoco permite predecir la masa de sus bosones de Higgs (los responsables de que este rota a baja energía). De hecho, podrían existir bosones de Higgs de baja masa que se hayan producido en el LEP del CERN y se estén produciendo en el Tevatrón del Fermilab ahora mismo que escapen a los detectores, porque sus modos de desintegración no están entre los que se han buscado o porque los detectores de estos experimentos no son sensibles a dichos modos de desintegración. Por ejemplo, en el Tevatrón es muy difícil detectar bosones de Higgs cuya masa sea menor que el doble de la masa del quark bottom (b).
Sorprende saber que hay una anomalía en los datos del LEP2 del CERN que apunta hacia un bosón de Higgs supersimétrico. En teoría uno esperaría que un bosón vectorial W no debería tener más preferencia por desintegrarse en leptones de una familia concreta que en cualquiera de las otras tres. A esto se le denomina “universalidad leptónica.” Los datos del LEP indicaron que BR(W →μ ν)/BR(W →e ν) = 0,994 ± 0,020, de acuerdo con la universalidad. Sin embargo, BR(W→τ ν)/BR(W →e ν) = 1,070 ± 0,029, y BR(W→τ ν)/BR(W →μ ν) = 1,076 ± 0,028, que están en desacuerdo con la universalidad en más de dos desviaciones típicas (en 2,8 σ). ¿Qué dice el Tevatrón del Fermilab al respecto? Poco, ya que es casi “ciego” a este tipo de procesos. Por el momento se ha observado que BR(W→τ ν)/BR(W →e ν) = 0,99 ± 0,04 (stat) ± 0,07 (syst), es decir, 0,99 ± 0,08, ya que 0,08 = √( (0,04)²+(0,07)²). Este resultado está de acuerdo con la universalidad leptónica pero aún así la banda de error es muy grande y el resultado no puede competir en exactitud con el obtenido por el LEP2 (mucho más sensible a este tipo de procesos).
Los datos de LEP2 descartan a los bosones de Higgs supersimétricos del modelo MSSM con gran probabilidad. De hecho, el bosón de Higgs neutro ligero (h) debería tener una masa del orden de o inferior a la del bosón vectorial W, de hecho, inferior a 82 GeV/c2. Sin embargo, no descartan el modelo NMSSM en el caso de que el bosones de Higgs neutros a1 y a2, llamados de forma genérica A, tengan una masa muy pequeña, menor del doble que la masa del quark bottom (b). En dicho caso sería razonable que los bosones de Higgs cargados H± tuvieran una masa superior pero del orden de la masa del bosón vectorial Z, es decir, unos 100 GeV/c2. Estos bosones de Higgs cargados serían fácilmente observables en el Tevatrón del Fermilab y que la probabilidad (BR) de la desintegración H±→W± A, es siempre mayor que 1/2 para una masa aproximada m(H±)≈100 GeV/c2.
En este blog también podrás leer otras entradas como:
Lo siento, yo no te lo voy a contar, no voy a traducir 163 páginas de documentación sobre lo que de verdad se sabe sobre la anomalía de las sondas Pioneer. Todas tus preguntas (salvo la más importante, por qué se produce) sobre la anomalía de las sondas Pioneer te las contestará el artículo de revisión de 163 páginas de Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth, “The Pioneer Anomaly,” ArXiv, 20 Jan 2010. ¡Ah, que todavía no lo sabes! La anomalía de las sondas Pioneer se refiere a la aparente aceleración que las sondas Pioneer 10 y 11 han mostrado cuando se encontraban a distancias del Sol entre 20 y 70 UA (unidades astronómicas). Esta aceleración aP = (8,74 ± 1.33) × 10-10 m/s2 viola aparentemente la ley de gravitación universal de Newton (la ley de la inversa del cuadrado) y actualmente no tiene ninguna explicación definitiva, aunque se han propuesto muchísimas explicaciones posibles (más o menos convincentes). El artículo de Turyshev y Toth menciona alguna de esta especulaciones, pero no se recrea en ellas, ni pretende presentar de forma sistemática todas las que hay.
Hoy en día, la existencia de la anomalía no puede ser puesta en duda. Sin embargo, los nuevos análisis de los datos radiométricos de las Pioneer indica que la aceleración anómala no es constante sino que va decreciendo ligeramente conforme pasa el tiempo (como muestra la figura de la izquierda). Además, la dirección a la que apunta la aceleración anómala tampoco está clara (tiene un error de unos 3º). Podría apuntar al Sol (1 en la figura de la derecha), hacia la Tierra (2 en la figura), en la dirección opuesta a la velocidad de la sonsa (3 en la figura) o en la dirección del eje central de la sonda (4 en la figura). La anomalía se ha observado en la Pioneer 10 hasta una distancia de 70 UA, y en la Pioneer 11 desde una distancia de 20 UA, sin embargo, no se sabe si la anomalía estaba presenta a distancias más pequeñas. La anomalía presenta un error sistemático oscilatorio con variaciones diarias y anuales claramente visibles, pero no se sabe si tienen algo que ver con la explicación de la anomalía. Las Pioneer también presentan una anomalía de espín, pero no se sabe si está relacionada con la aceleración anomalía. Finalmente, la explicación menos esotérica, que la anomalía es debida a una radiación de calor de los motores anisótropa no se puede descartar, ya que se cree que ha sido subestimada en estudios anteriores.
Los autores de este artículo de revisión han emprendido un proyecto de investigación exhaustivo que reanalizará todos los datos telemétricos de las sondas Pioneer 10 y 11 mediante un nuevo software de análisis de datos y esperan que en menos de una década el problema de la anomalía de las sondas Pioneer sea resuelto. Esperemos que así sea.
Más sobre la anomalía de las Pioneer en este blog:
Fotografía del experimento (arriba) y resultados del algoritmo biológicamente inspirado desarrollado por los autores (abajo). (c) Science
El protozoo (antes considerado un hongo) llamado Physarum polycephalum es capaz de encontrar el camino más corto en un laberinto (Premio Ig Nobel 2008 de Ciencias cognitivas) cuando el hambre aprieta. Un nuevo estudio publicado en Science muestra que puede resolver otros problemas de optimización, como el problema del transporte de coste mínimo en una red. Se han depositado muestras de comida en un placa que emula en miniatura las posiciones de las ciudades que rodean Tokio. El protozoo ha desarrollado una red de túbulos que conecta dichas “ciudades” tan buena como la red de ferrocarriles que conecta dichas ciudades japonesas. Una red robusta, con un costo casi óptimo, gran eficiencia y tolerante a fallos. La población de protozoos ha sido capaz de encontrar casi la misma solución que un ingeniero humano. Realmente sorprendente. Lo mejor del trabajo del protozoo es que su solución no requiere un control centralizado y representa una solución escalable para entornos de programación distribuidos. Los investigadores han desarrollado un modelo de optimización que imita el comportamiento del protozoo y que ofrece un nuevo algoritmo biológicamente inspirado para la resolución de problemas de transporte. Los autores creen (o afirman) que este algoritmo es más robusto que otros algoritmos desarrollados con anterioridad (aunque sólo lo han aplicado a problemas “fáciles”). El artículo técnico es Atsushi Tero et al., “Rules for Biologically Inspired Adaptive Network Design,” Science 327: 439-442, 22 January 2010. A los que tengan acceso a Science, les resultará interesante la perspectiva de Wolfgang Marwan, “Amoeba-Inspired Network Design,” Science 327: 419-420, 22 January 2010, aunque a mí me ha gustado más el artículo original (en particular el enfoque de Biología de Sistemas que presenta Marwan no me convence).
Las redes de transporte son una parte crítica de muchas de las infraestructuras que se necesitan para sostener la sociedad industrial moderna. Estas redes favorecen el transporte de personas, recursos, energía e información. La mayoría de las redes actuales han sido diseñados paso a paso sin la guía de un diseño óptimo desarrollado antes de iniciar su desarrollo. Por ello muchas de estas redes no son robustas ni tolerantes a fallos. Hay muchos ejemplos famosos de redes de transporte eléctrico que han fallado, líneas de transporte de equipajes en aeropuertos, redes de transporte de mercancías, redes financieras, etc. Con objeto de mejorar la robustez y tolerancia a fallos de estas redes hay que introducir nuevas conexiones redundantes.
Muchos seres vivos y sistemas biológicos desarrollan redes que mejoran su capacidad de adaptación al entorno, siempre cambiante. Las técnicas de optimización se han inspirado en muchas ocasiones en las soluciones desarrolladas por la evolución (redes de neuronas artificiales, algoritmos genéticos o algoritmos de colonias de hormigas son algunos ejemplos). El artículo de Tero et al. han estudiado al protozoo Physarum polycephalum con objeto de obtener inspiración para desarrollar nuevos algoritmos de optimización biológicamente inspirados. Physarum es un tipo de ameba unicelular que vive en colonias y que distribuye en forma de redes de túbulos que conectan las fuentes de comida disponible para la colonia. Los arcos que unen las fuentes de comida forman una red de longitud mímina (red de Steiner) con ciertos cruces de líneas adicionales que se cree que tienen como utilidad mejorar la eficiencia y robustez ante fallos de la red (la desconexión de parte de la red debido a causas ambientales o al efecto de depredadores).
Tero et al. han colocado una red de 36 fuentes de comida (FS) que representan la localización geográfica de diferentes ciudades en el área de Tokio. La colonia de Physarum plasmodium se colocó inicialmente en la posición que correspondía a Tokio. La imagen muestra varias etapas de la evolución de la colonia. La red resultante se parece bastante a la red de ferrocarril que conecta de dichas ciudades. Las diferencias son debidas a la topografía del terreno (montañas, ríos) que no han sido introducidos en el experimento con el protozoo. Como el Physarum evita las luces brillantes, se ha reproducido la topografía del terreno mediante una serie de luces brillantes y se ha logrado una red cuyo parecido a la red de ferrocarril real ha sorprendido a los propios investigadores.
Para los informáticos será interesante saber que los investigadores han desarrollado un nuevo algoritmo de optimización que se inspira en el comportamiento del protozoo. El modelo matemático construye la red de forma adaptativa emulando el desarrollo de túbulos de diferente grosor en los que se mueve el protozoo siguiendo líneas de corriente dadas por un flujo de Hagen-Poiseuille: el flujo del tubo se caracteriza por una viscosidad constante y cada tubo se caracteriza por una conductividad efectiva. El valor de esta conductividad se actualiza mediante un algoritmo adaptativo que tiene en cuenta que el fluido total en la red de tuberías se conserva. Los detalles del algoritmo están bien explicados en el artículo aunque su implementación en software no parece trivial. El algoritmo presenta varios parámetros que permiten controlar su eficiencia y el artículo no indica en detalle cómo han de ser ajustados para obtener los mejores resultados posibles. Aún así, los resultados del algoritmo parecen prometedores.
