Publicado en Nature: La relación entre la tasa metabólica y la masa corporal no es una ley de potencias en mamíferos

Los elefantes son 200 000 veces más grandes en masa que los ratones pero requieren sólo 15 000 veces más energía diaria. Kolokotrones et al. han mostrado que no hay una ley de potencias que relacione la tasa metabólica y la masa corporal en mamíferos. (C) Nature.

Si dedicas 5 minutos a leer este blog, gastarás unos 350 J/kg, julios de energía por kilogramo de masa corporal. Un ratón consumiría 3000 J/kg en el mismo tiempo y un elefante africano de 4 toneladas sólo 200 J/kg. Los animales más grandes consumen menos energía y requieren, proporcionalmente, menos alimento. Todo el mundo lo sabe. Pero, ¿cuál es la relación matemática exacta entre tasa metabólica y masa corporal? Desde hace casi 200 años se ha estudiado teórica y empíricamente esta relación y la propuesta estándar es una ley de potencias. Kolokotrones et al. publican en Nature un nuevo análisis que muestra que para los mamíferos una ley de potencias no es adecuada (el exponente no es constante, crece con el tamaño). Además, proponen modificaciones en la teoría de la red fracal de distribución de nutrientes que se utiliza para entender el por qué la tasa metabólica no varía en proporción directa con la masa corporal. Nos lo cuenta Craig R. White, “Physiology: There is no single ρ,” News and Views, Nature 464: 691-693, 1 April 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Tom Kolokotrones, Van Savage, Eric J. Deeds, Walter Fontana, “Curvature in metabolic scaling,” Nature 464: 753-756, 1 April 2010.

La relación entre tasa metabólica y masa corporal fue estudiada por primera vez en los 1830 por Sarrus y Rameaux, en una serie de conferencias en la Academia Real de Medicina de París. Como el calor corporal producido por el metabolismo debe ser disipado al medio ambiente a través de la piel, la tasa metabólica debe ser proporcional a la superficie corporal y no al volumen (o masa corporal). Rubner lo demostró empíricamente en 1883 utilizando perros. En 1916, el Premio Nobel de Medicina August Krogh propuso el uso de una ley de potencias para describir la relación entre tasa metabólica (T) y masa corporal (m), es decir, T=A m^p. Para animales de sangre caliente, como pájaros y mamíferos, Rubner sugirió que la potencia p es próxima a 2/3, pero que para animales de sangre fría es cercana a 1. Sin embargo, en  1932 Kleiber, e independientemente Brody y Proctor, encontraron empíricamente un exponente p cercano a 3/4, que se llama ley de Kleiber. Hemmingsen en 1960 descubrió que esta ley es válida tanto para animales de sangre caliente como fría. Sin embargo, en los últimos años se han publicado varios estudios que contradicen la universalidad de la ley de Kleiber. La explicación actual de esta ley es la teoría de la red de distribución fractal, que predice que el exponente suponiendo que la red que suministra nutrientes en el cuerpo tiene una geometría fractal.

Kolokotrones et al. aportan dos contribuciones importantes. Primero, demuestran empíricamente que la ley de Kleiber no es aplicable a mamíferos. Esencialmente, el valor del exponente p crece con el tamaño corporal: la tasa metabólica crece más rápido con la masa corporal en mamíferos grandes que en los pequeños. Este resultado confirma definitivamente la evidencia reportada por múltiples estudios en mamíferos en los últimos 3 años. Segundo, introducen modificaciones en las hipótesis en la teoría de la red de distribución fractal que justifican la variación del exponente p que han encontrado en mamíferos.

En resumen, un trabajo interesante que quizás no será el definitivo ya que en estos asuntos “polémicos” no suele haber una respuesta científica definitiva y universal.

Descubierta una diferencia entre células madre y las células adultas reprogramadas en ratones

En ratones se ha descubierto una diferencia importante entre las células adultas reprogramadas y las células madre. Si se confirma en humanos, ayudará a los investigadores clínicos a seleccionar las mejores células madre reprogramadas para aplicaciones terapéuticas y modelos de enfermedades. Las células madre pluripotentes inducidas o células iPS (por induced pluripotent stem) se obtienen mediante la reprogramación de células adultas y aparentemente son indistinguibles de las células madres del embrión: ambos tipos de células son pluripotentes, permiten desarrollar cualquier tejido del organismo. Un equipo liderado por Konrad Hochedlinger del Hospital General de Massachusetts, en Boston, han descubierto una diferencia en la expresión génica entre células madre y células iPS en ratones. Estas células tienen ADN idéntico, pero hay dos genes en el cromosoma 12 y varias secuencias de microARN reguladores que están silenciadas en las células madre pero se encuentran activas en varios tipos de células adultas y en las reprogramadas. Este es un paso importante hacia la identificación de las diferencias que pueden existir entre células reprogramadas correcta e incorrectamente. “Este descubrimiento abre la puerta para investigaciones posteriores en células iPS humanas,” como ha indicado Matthias Stadtfeld, miembro del equipo de Hochedlinger, también en el Hospital General de Massachusetts, que presentó este trabajo en una Conferencia de la Academia de Ciencias de New York, el 23 de marzo de 2010. Sin embargo, no todo el mundo está de acuerdo con estos resultados. El experto John Hambor, uno de los directores del Cell Therapy Group, consultaría de Madison, Connecticut, tiene serias dudas sobre los resultados del experimento, ya que las células iPS utilizadas no cumplen con los criterios de control de calidad actuales más estrictos. Además, los genes silenciados no tendrían importancia en tejidos en los que no se expresan estos genes. En resumen, se necesitan más análisis pero el descubrimiento es interesante. Aunque los resultados encontrados en ratones no siempre se pueden extrapolar a humanos, si se descubriera un patrón de expresión similar en células iPS humanas, tendría importantes repercusiones en la ingeniería genética de tejidos basada en células madre. Nos lo cuenta Elie Dolgin, “Gene flaw found in induced stem cells,” News, Nature 464: 663, 1 April 2010.

Publicado en Nature: Hacia un segundo más preciso en los relojes atómicos; superado el límite cuántico de la interferometría de Ramsey

Interferómetro lineal (izquierda), no lineal (centro) y estados hiperfinos del estado de Bose-Einstein utilizado (derecha). Se influye la representación en la esfera de Bloch de los estados de los átomos llamados |a> (azul), |b> (rojo) y su superposición coherente (morado). (C) Nature.

 

Se define un segundo como la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación asociada a la transición hiperfina del estado fundamental del isótopo 133 del átomo de cesio. El estado del arte en relojes atómicos se basa en la interferometría de campos oscilantes separados desarrollada por Norman F. Ramsey en 1949 (Premio Nobel de Física 1989). La precisión de la interferometría de Ramsey está limitada por la estadística clásica debido a que el número de átomos utilizados es finito. Gross et al. demuestran en Nature que se puede superar el límite de Ramsey mediante interferometría atómica no lineal utilizando un condensado de Bose-Einstein. Grosso modo, la técnica en lugar de medir la transición hiperfina en un átomo de cesio, utiliza un estado entrelazado de muchos átomos (170 átomos del isótopo 87 del rubidio) y mide la transición hiperfina en este “macroátomo” (el estado condensado de Bose-Einstein se describe con una única función de onda y se comporta como un “átomo” macroscópico). Utilizando su técnica de interferometría no lineal han obtenido una medida un 61% más precisa que el límite (cuántico) teórico. El artículo técnico es C. Gross, T. Zibold, E. Nicklas, J. Estève, M. K. Oberthaler, “Nonlinear atom interferometer surpasses classical precision limit,” Nature, advance online publication 31 March 2010.  

Estos avances parecen muy alejados de la realidad cotidiana. Uno se imagina un reloj atómico como una máquina enorme, de dos metros de alto, caro de construir y con un alto consumo de energía. Sin embargo, desde 2004 se fabrican relojes atómicos del tamaño de un chip, los llamados chips atómicos. Estos chips tienen gran número de aplicaciones en dispositivos portátiles de precisión atómica para comunicaciones inalámbricas seguras, navegación GPS precisa y otras aplicaciones, aunque todavía son caros. Riedel et al. publican también en Nature la aplicación de estados comprimidos de espín (spin-squeezed states) en condensados de Bose-Einstein de dos componentes para superar el límite de Ramsey en chips atómicos, así como su aplicación al desarrollo de relojes atómicos (esto último aún en desarrollo). Utilizando una técnica diferente, pero relacionada, logran utilizar técnicas interferométricas para medir las transiciones hiperfinas en estados entrelazados de 4 ± 1 átomos. El incremento en precisión más allá del límite cuántico no es tan espectacular como en el trabajo anterior, pero el hecho de que lo logren en chips atómicos merece toda nuestra atención. El artículo técnico es Max F. Riedel, Pascal Böhi, Yun Li, Theodor W. Hänsch, Alice Sinatra, Philipp Treutlein, “Atom-chip-based generation of entanglement for quantum metrology,” Nature, advance online publication 31 March 2010. 

Representación en la esfera de Bloch de la evolución del estado interno del BEC (arriba), control de la no linealidad (χ) en el chip atómico en función de la densidad de solape normalizada entre los dos BEC (abajo, izquierda) y secuencia experimental utilizada (abajo, derecha). (C) Nature.

PS (21 abril 2010): Ya han aparecido en papel estos artículos técnicos, acompañados de un comentario de Charles A. Sackett, “Quantum measurement: A condensate’s main squeeze,” News and Views, Nature 464: 1133-1134, 22 April 2010, quien nos recuerda que el entrelazamiento permite que la incertidumbre cuántica de una variable se reduzca a costa del incremento de la de otra. Buena manera de describir el secreto de estos trabajos técnicos.

Las primeras colisiones a 7 TeV en los detecores CMS y ATLAS del LHC (CERN)

La figura muestra la primera colisión de partículas a 7 TeV que se detectó hoy en el experimento Compact Muon Solenoid (CMS) del LHC. La figura está dividida en tres partes que muestran diferentes vistas de lo mismo, con etiquetas “3D” (izquierda), “Rho Z” (derecha arriba) y “Rho Phi” (derecha abajo), donde Rho, Phi y Z son las tres componentes en coordenadas cilíndricas. La colisión de los protones se produce en el punto de colisión, el punto imaginario de donde parten todas las trayectorias en amarillo. Las curvas en amarillo corresponden a las trazas que dejan las partículas emitidas en los detectores de silicio (Silicon tracker) que permiten reconstruir las trayectorias en 3D de las partículas cargadas que se producen (sólo se detectan partículas cargadas, como muones y electrones, pero no los fotones). A partir de la curvatura de las trayectorias se puede estimar el momento, masa y energía de las partículas. Las partículas positivas (negativas) se curvan en sentido horario (antihorario). La reconstrucción tridimensional es importante porque el campo magnético que curva las trayectorias no es homogéneo y por eso las trayectorias no son arcos de circunferencia. La parte exterior del cilindro que se ve en la figura, donde aparece los histogramas en azul y rojo, corresponde a los calorímetros. Los hay de dos tipos ECal (histograma en rojo) y HCal (histograma en azul). La altura del histograma corresponde a la cantidad de energía depositada en cada calorímetro. Las partículas detectadas en los ECal (rojo) son electrones y fotones (los primeros dejan trazas en amarillo, pero los segundos no), y las detectadas en los HCal son hadrones. Los muones se detectan en ambos, ECal y HCal (en la figura de arriba, donde pone “muones” en realidad no hay muones como se muestra en la vista “3D” pero bueno, permítaseme la “licencia”). Por supuesto, los detectores fallan y presentan cierto ruido que los hace activarse incluso cuando no hay partículas. Se necesita un análisis detallado para obtener una reconstrucción completa de la colisión que se observa. Finalmente, los rectángulos rojos alargados que se ven en la vista “Rho Phi” son las cámaras de muones, diseñadas específicamente para detectar muones, de ahí el nombre de CMS.

Los interesados en ver un muón en el CMS pueden recurrir a la figura de abajo. Más claro agua: la trayectoria naranja que se “sale” del cilindro central.

Esta otra figura muestra la primera colisión de partículas a 7 TeV que se detectó hoy en el experimento ATLAS del LHC. Las vistas son también “3D” (abajo), “Rho Z” (derecha arriba en pequeño) y “Rho Phi” (izquierda arriba en grande). ATLAS está formado para varios detectores concéntricos (aros coloreados) especializados en detectar diferentes propiedades de las partículas. La parte más interna del detector ATLAS es un sistema de detección de las trayectorias de partículas utilizando sensores semiconductores. El aro verde son los calorímetros de argón líquido que permiten medir la energía de partículas electromagnéticas como electrones y fotones (los primeros presentan trayectoria visible en la parte central, los segundos no). Los pequeños cuadraditos (puntitos más bien) amarillos indican la energía depositada por estas partículas en el calorímetro (en esta colisión prácticamente no se ve ninguno). El aro rosado grande corresponde a los calorímetros que miden partículas de tipo hadrón, como protones y neutrones (los primeros presentan trayectoria visible en la parte central, los segundos no). La cantidad de energía depositada se muestra en pequeños rectángulos en amarillo (se ven muy pocos en esta colisión). Finalmente, en azul están los espectrómetros de muones, partículas muy energéticas que no se detienen en los calorímetros más internos. Los muones se observan como partículas con trayectoria en la parte central que atraviesan los aros verde y rosa sin dejar señal, pero que la dejan en la parte azul final.

 

Today is the greatest day… Las primeras colisiones a 7 TeV en el LHC en directo en la WebTV del CERN

No, no voy a decir lo mismo que Smashing Pumpkins en su canción “Today” (ver el vídeo): “Today is the greatest day I’ve ever kown.” Hoy, 30 de marzo, a las 8:30 de la mañana dará comienzo la emisión en vivo (webcast) del “LHC First Physics event” de la televisión del CERN. Obviamente tú ya lo sabes, todo el mundo lo sabe. Podremos ver conexiones en directo con todas las salas de control de los experimentos del LHC: ALICE, ATLAS, CMS y LHCb. Aunque la emisión será en inglés, será un momento histórico para todos los aficionados a la física de partículas… o así lo quisieran desde el CERN. Atentos… y a disfrutar… y esperemos que esta noche podamos decir lo mismo que Smashing Pumpkins en su canción “Tonight, tonight” (ver el vídeo abajo): “Tonight, so bright. Tonight. The impossible is possible tonight.”

¡Ya ha empezado! 8:30

Un problema criogénico en el sector 12 ha dejado sin habla a la locutora (durante más de 5 minutos). Se respira la tensión. 8:55

Nos han puesto un comercial del CERN con música de U2, cortito, y la locutora ha recomenzado. 9:00

A las 8:50 han saltado los sistemas de protección (quench protection system o QPS) de los imanes que se instalaron el año pasado. El QPS ya dio problemas hace unas semanas y es una de las razones por las que la rampa debe ser mucho más lenta de lo que estaba pensado (como mínimo 45 minutos). Se esperaba que en las próximas semanas los técnicos solucionaran este problema. Nadie podía soñar con las leyes de Murphy y que el QPS fuera a fallar, hoy, el gran día. Se cree que salta por “ruido” cuando no tiene que hacerlo. No es que haya un problema es sólo un fallo del sistema de detección de problemas. Salta indicando un problema incluso si no lo hay… pero salta y hay que estar precavidos.

Las primeras colisiones se retrasarán, como pronto, a las 11:00.

10:12 acaban de informar que las primeras colisiones se retrasarán hasta las 12:00… bueno, ahora hasta las 13:00… ya veremos.

Pantalla de operación global del LHC mostrando el estado energético de los dos haces de protones.

Los protones que circulan por los dos haces (B1 y B2) del LHC del CERN van “empaquetados” en paquetes (bunches) de unos 7’48 cm de largo y una sección transversal de 1×1 mm² mientras circulan, que se reduce a sólo 16 ×16 μm² en los detectores . Cada haz contiene 2808 paquetes. Los paquetes están separados entre sí 26659 / 2880 ~ 9’26 metros. En la figura de arriba la intensidad de los haces (Intensity, escala marcada 2E10) indica el número de protones en cada paquete (2E10 significa 2 × 10¹⁰ protones/bunch). En la figura de arriba la energía por haz es la energía a la que se aceleran todos los protones de los paquetes (es la energía por protón). Hoy se esperan alcanzar los 3500 GeV o 3’5 TeV.

Explicados los conceptos de energía e intensidad queda explicar el concepto de luminosidad. Básicamente es el número de partículas que pasarán por cada centímetro cuadrado en los detectores. El número de colisiones depende de la probabilidad de que un protón de un paquete golpee a otro protón de un paquete que viene en sentido contrario. Esta probabilidad es el producto del tamaño del protón y la sección transversal del paquete en el detector, P ≈ 4 × 10^-21. Para una intensidad de 2 × 10¹⁰ protones/bunch el número de colisiones por cruce será sólo de 1’6. En realidad las colisiones efectivas serán algo menores, pongamos 1 por cruce. ¿Cuántos cruces por segundo? Los protones a casi la velocidad de la luz dan unas 11000 vueltas por segundo a los 27 km del túnel y como hay 2808 paquetes en cada haz, el número de cruces por segundo será de 30 millones. Luego hoy el objetivo cumplido significarán unas 30 millones de colisiones protón-protón por segundo. No todas serán detectadas. Los primeros eventos de colisiones del LHC del CERN detectados aparecerán en la página web de los detectores ATLAS (aquí) y CMS (aquí).

12:38 Los haces de nuevo a 3500 GeV y la recta final para las primeras colisiones se ha iniciado de nuevo…

13:01 el LHC está en Modo Colisión… basta estabilizar los haces y los detectores empezarán a observar colisiones…

13:04 los haces están perfectamente alineados y se producen las primeras colisiones. ATLAS ha observado unos 40 eventos por segundo.

Los cuatro detectores están observando colisiones.

Robert Aymar, director del CERN, que está en Japón, recibe las bromas de los presentes: Todo ha ido bien porque él se encuentra lejos de la máquina.

Twitter-like: P.A.M. Dirac fue uno de los padres de la teoría de cuerdas

En 1962 cuando todavía no se había descubierto la teoría de cuerdas, en uno de sus artículos proféticos, P.A.M. Dirac desarrolló una teoría cuántica de las vibraciones de un objeto cuántico extendido, una membrana cargada, para estudiar dos partículas elementales muy similares, salvo por su masa, el electrón y el muón (un electrón pesado de segunda generación). Dirac pensó que ambas partículas eran dos estados cuánticos de una membrana cargada y desarrolló una teoría cuántica “sencilla” de sus vibraciones usando el método de cuantización de Bohr-Sommerfeld. Su teoría predecía que la masa del muón era 53 veces la masa del electrón, un resultado cuatro veces menor del observado experimentalmente (la masa del muón es 200 veces la masa del electrón). Gracias a este artículo podemos afirmar que Dirac es uno de los padres de la teoría de cuerdas y que tuvo mucha suerte ya que si hubiera tratado de cuantizar su membrana utilizando el método canónico o el método de integrales de camino no hubiera sido capaz de lograrlo (no es posible hacerlo con las técnicas conocidas en aquella época). El artículo técnico es  P. A. M. Dirac, “An Extensible Model of the Electron,” Proc. R. Soc. Lond. A 268: 57-67, 19 June 1962 [disponible en JSTOR].

Twitter-like: Atrapando el arco iris

Atrapar la luz consiste en propagar un pulso de luz en un medio tal que su velocidad de grupo se reduzca a cero. Atrapar un arco iris requiere atrapar luz con un ancho de banda entre 500 y 700 nm. No es fácil lograrlo, pero tampoco imposible. En este blog ya hablamos de ello en “La luz de un arco iris atrapada en el aire entre dos películas de oro nanométricas,” 25 Noviembre 2009. Se acaba de publicar un nuevo experimento que también lo ha logrado, Qiaoqiang Gan et al., “Experimental verification of the “rainbow” trapping effect in plasmonic graded gratings,” ArXiv, 22 Mar 2010.

¿Atrapar la luz? Sí, es fácil. El índice de refracción de un material afecta directamente a la velocidad de fase v_p=c/n(w), donde c es la velocidad de la luz en el vacío y n(w) es (la parte real de) el índice de refracción (la parte imaginaria corresponde a la absorción). Un pulso de luz se propaga a la velocidad de grupo v_g=c/n_g(w), donde n_g(w) = n(w) + w dn(w)/dw. La velocidad de grupo puede ser mucho menor que la velocidad de fase si la derivada del índice de refracción es positiva y grande. La velocidad de grupo puede ser nula (luz atrapada) o incluso negativa si la derivada del índice de refracción es negativa y suficientemente grande. El problema es que la absorción suele ser alta y que el ancho de banda donde se observa el efecto es estrecho. Sin embargo, ambos problemas se pueden resolver utilizando medios no lineales. Los que quieran saber más sobre este tema pueden recurrir al artículo de Daniel J. Gauthier, Alexander L. Gaeta, Robert W. Boyd, “Slow Light: From Basics to Future Prospects,” Photonics Spectra, Mach 2006.

Twitter-like: El efecto Mpemba o cuando el agua caliente se enfría más rápido que el agua fría

A veces, el agua caliente se congela antes que el agua fría, es el efecto Mpemba, que James D. Brownridge nos explica en detalle en “A search for the Mpemba effect: When hot water freezes faster then cold water,” ArXiv, 16 Mar 2010, incluyendo detalles de como repetir el experimento en casa. Un fenómeno que yo descubrí hace años en David Auerbach, “Supercooling and the Mpemba effect: When hot water freezes quicker than cold,” American Journal of Physics 63: 882-885, October 1995. Más sobre el efecto Mpemba en ArXiv.

Twitter-like: Salvador Gil y su física recreativa en español

Proyectos experimentales de física usando nuevas tecnologías, ese es el objetivo de la web “Física Recreativa,” de Salvador Gil y sus colaboradores. “Estimular la curiosidad y creatividad de los estudiantes y docentes de física. El carácter lúdico de la aventura del pensamiento.”  Salvador tiene un gran número de artículos en docencia. Muchos de los cuales están publicados en inglés en el American Journal of Physics (como yo le conocí). Para abrir boca, Pablo Núñez, Silvia E. Calderón y Salvador Gil, “Búsqueda de orden y armonía en la naturaleza, descubriendo leyes de escala en el aula,” Lat. Am. J. Phys. Educ. 4: 118-126, Jan. 2010, y Salvador Gil, Hernán D. Reisin, Eduardo E. Rodríguez, “Using a digital camera as a measuring device,” American Journal of Physics 74: 768-775, September 2006.

Twitter-like: Quién será capaz de fabricar el grafeno semiconductor

Hoy en día muchos materiales con propiedades especiales se descubren gracias a simulaciones por ordenador. Un artículo reciente presenta un nuevo tipo de grafeno semiconductor (ver la figura). Octógonos, hexágonos y pentágonos en una estructura química que a mí se me antojo de gran belleza. La teoría predice sus propiedades semiconductoras, pero la cuestión es ¿quién será capaz de fabricarlo? El artículo técnico es David J. Appelhans, Zhibin Lin, Mark T. Lusk, “A Semiconducting Graphene Allotrope,” ArXiv, 19 Mar 2010.

La fórmula de Stirling para el factorial

¿Cuánto vale 100!, el factorial de 100? Para saberlo lo más fácil es utilizar la fórmula de Stirling, 

cuyos coeficientes  se denominan coeficientes de Stirling. Veamos un ejemplo,

donde a la derecha aparecen las tres primeras aproximaciones de Stirling, las que usan . Como vemos, en la práctica, se obtiene una buena aproximación utilizando sólo el término principal de la fórmula de Stirling.

¿Hay alguna fórmula que nos permita calcular los coeficientes de Stirling? Una fórmula explícita es la siguiente

Los interesados en una demostración de esta fórmula pueden recurrir al artículo de 5 páginas de Gergö Nemes, “On the coefficients of the asymptotic expansion of n!,” ArXiv 15 Mar 2010, que aplica un teorema de Howard a la fórmula de los coeficientes de Stirling demostrada por Brassesco y Méndez.

¿Cómo podemos evaluar estos coeficientes en Mathematica? Obviamente, a nadie se le ocurre escribir la fórmula de Nemes, digo yo. Lo más fácil es pedirle a Mathematica que evalúe directamente la fórmula de Stirling.

fact[n_,k_]:=Series[ n!,{n,Infinity,k}] //Normal

coef[k_]:=Coefficient[ fact[n,k]/fact[n,0],n,-k]

Table[coef[k],{k,0,8}]

Más información en la entrada de la wikipedia “Fórmula de Stirling,” la entrada de ^DiAmOnD^, “La fórmula de Stirling,” Gaussianos, 14 de Noviembre de 2006, y el artículo de Herbert Robbins, “A Remark on Stirling’s Formula,”  by Herbert Robbins, 1955, entre otros muchos.

Twitter-like: Desalinización de agua del mar a bajo coste energético utilizando membranas nanoporosas

La escasez de agua dulce es uno de los problemas más graves a los que se enfrenta el mundo. Una solución podría ser convertir el agua del mar en agua dulce, pero los métodos de desalinización actuales requieren un alto consumo de energía e infraestructuras de gran envergadura. Kim et al. han desarrollado un proceso para convertir agua del mar (salinidad ~ 500 mm o ~ 30.000 mg l^-1) de agua dulce (salinidad de 10 mm o inferior a 600 mg l^-1). El nuevo proceso utiliza corrientes de microfluidos para separar una corriente continua de agua de mar en dos: agua desalada y agua de desecho (que contiene sales en alta concentración y partículas grandes como células, virus y microorganismos). El nuevo proceso alcanza una eficiencia del ~99% con un consumo de energía de menos de 3’5 Wh l^-1, por lo que podría utilizarse a pequeña o mediana escala alimentado por pilas o baterías (en el tercer mundo, durante catastrófes, etc.). El artículo técnico es Sung Jae Kim, Sung Hee Ko, Kwan Hyoung Kang, Jongyoon Han, “Direct seawater desalination by ion concentration polarization,” Nature Nanotechnology, Published online: 21 March 2010.

Twitter-like: Qué podría descubrir el LHC durante el año 2010

Una buena discusión de lo que podría descubrir el LHC del CERN en su primer año (si las colisiones se inician el 30 de marzo, como todo el mundo espera y todo va bien a 7 TeV, sin ningún problema, hasta diciembre) se puede encontrar en C. Guyot, “ATLAS discovery prospects for few 100/pb,” Talk at the conference BEYOND 2010 (Cape town, South Atfrica), 1st February 2010.

Por qué se dice que el LHC del CERN tiene por objetivo encontrar el bosón de Higgs

El LHC del CERN estudiará la física de partículas elementales en la escala de energía de los TeV (teraelectrónvoltios). Podrá encontrar el bosón de Higgs, una cuarta generación de partículas, partículas supersimétricas, candidatos a materia oscura, microagujeros negros, dimensiones superiores, y muchas otras cosas que no podemos ni imaginar (así ha ocurrido en el pasado, las sorpresas experimentales han modelado el modelo estándar). ¿Por qué se dice entonces que el objetivo del LHC del CERN es encontrar el bosón de Higgs? No, no es porque Leon Lederman escribiera un libro llamado “la partícula de Dios.” La razón es mucho más sencilla. Ni las dimensiones superiores, ni los microagujeros negros, ni la supersimetría forman parte del modelo estándar, son física más allá del modelo estándar. Sin embargo, el bosón de Higgs, o mejor dicho el mecanismo de ruptura espontánea de la simetría electrodébil, sí forma parte integral del modelo estándar. Más aún, es una de las partes más importantes del modelo estándar. El mecanismo de Higgs, el hecho de que el bosón de Higgs medie dicha ruptura de simetría, es la explicación más sencilla a esta parte del modelo estándar y es la explicación que mejor se integra con el resto del modelo estándar. Un objetivo fundamental del LHC del CERN es verificar el modelo estándar hasta sus últimas consecuencias, hasta demostrar si existe o no física más allá del modelo estándar en la escala de energías de los TeV. Pero no debemos olvidar que dicho objetivo pasa por verificar el modelo estándar y el mecanismo de Higgs es parte integral, fundamental, del modelo estándar. Si el bosón de Higgs no existe es necesaria física más allá del modelo estándar para explicar la ruptura espontánea de la simetría de la teoría electrodébil, hoy por hoy, fuera de toda duda experimental.

La supersimetría puede existir o no, pero la ruptura espontánea de la simetría de la teoría electrodébil existir existe y el LHC del CERN tendrá que clarificar sus detalles. Lo importante no es sólo saber si el bosón de Higgs existe o no, sino conocer su naturaleza, la naturaleza del mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil. Podría haber un único bosón de Higgs o podría haber varios bosones de Higgs (como predicen varias teorías, como la supersimetría). Estos bosones podrían ser neutros (como el del modelo estándar) o cargados.

En el modelo estándar sólo existen partículas de tipo fermiones (espín 1/2) y bosones vectoriales (espín 1), pero el Higgs es una partícula (bosón) escalar (espín 0). Podría ocurrir que el bosón de Higgs no fuera una partícula elemental sino que fuera una partícula compuesta de un par fermión-antifermión de tal forma que el espín total sea cero. Muchos modelos teóricos predicen un Higgs compuesto. Un bosón de Higgs compuesto presentaría acoplamientos anómalos, diferentes de los predichos por el modelo estándar, con los bosones vectoriales W y consigo mismo (se supone que el bosón de Higgs es no lineal, se acopla consigo mismo, igual que los gluones).

El LHC del CERN tendrá que medir, si encuentra el bosón de Higgs, su acoplamiento con todas las partículas masivas del modelo estándar, tanto bosones vectoriales, como fermiones (electrones, quarks y neutrinos). Es decir, habrá que estudiar si el bosón de Higgs permite explicar, además de la masa de los bosones vectoriales W y Z, la masa de las demás partículas masivas del modelo estándar. Hay que recordar que el bosón de Higgs no explica la masa del protón o del neutrón, ya que la contribución de los quarks (de valencia) que lo constituyen es muy pequeña, siendo la mayor parte de su masa debida a la energía de enlace entre estos quarks debida a los gluones (partículas sin masa, que no se acoplan al bosón de Higgs).

La física del mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil puede que no sea estudiada con detalle en el LHC. Por eso los físicos ya están estudiando su versión futura, el super LHC (sLHC). El LHC ha sido diseñado para que tras 5 años a máxima energía y luminosidad se alcancen unos 3o0 inversos de femtobarn (1/fb) de luminosidad integrada en 5 años (unos 700 en 10 años). El sLHC multiplicará por 10 la luminosidad del LHC y logrará alcanzará los 3000 en 5 años. A primera vista puede parecer un número enorme, pero hay que recordar que incrementar la luminosidad del LHC es mucho más fácil que incrementarla en el Tevatron (quizás ya se haya alcanzado su límite). La razón es sencilla, generar haces intensos de protones es mucho más fácil que hacerlo con antiprotones, por eso el LHC es un colisionador de hadrones protón-protón, en lugar de protón-antiprotón, como el Tevatron.

Los interesados en conocer el futuro del LHC, es decir, el superLHC, disfrutarán de las cinco conferencias en vídeo en el CERN “Scenarios and Technological Challenges for a LHC Luminosity Upgrade.” En concreto, “I. Introduction to the LHC Upgrade Program and Summary of Physics Motivations,” Lyn Evans y Michelangelo Mangano;  ”II. The Detector Upgrade and the Requirements on the Upgrade Scenarios,” Marzio Nessi; “III. Scenarios for the LHC Luminosity Upgrade,” Frank Zimmermann; “IV. Main Accelerator Science Challenges,” Lucio Rossi y Joachim Tuckmantel; y “V. Main Accelerator Science Challenges ,” Ralph Assmann y Roland Garoby.

Récord de luminosidad en el Tevatron del Fermilab: Produce un bosón de Higgs por hora, que no es detectado

El Tevatron del Fermilab ha logrado un nuevo récord de luminosidad, 3’76 × 10³² en unidades de 1/cm²/s, es decir, 3’76 gigabarn. Si el bosón de Higgs tiene una masa de 120 GeV su sección eficaz es algo menor de 1 picobarn, luego se produce un bosón de Higgs por hora. ¡Un bosón de Higgs por hora! ¿Por qué no ha sido descubierto aún? Porque una cosa es que se produzca y otra muy distinta que sea detectado. Los algoritmos de discriminación que determinan si una posible desintegración corresponde a un Higgs o no, es decir, que discriminan entre un evento con un Higgs y un evento de ruido de fondo, tienen una sensibilidad muy baja (no es nada fácil diferenciar estos eventos de otros eventos de fondo).  Sólo a base de observar durante mucho tiempo estos eventos (luminosidad integrada) se puede llegar a obtener una probabilidad no despreciable de observar (o descartar) un bosón de Higgs con dicha masa. Nos lo cuenta Tommaso Dorigo, “3.76 E 32,” A Quantum Diaries Survivor, March 25th 2010, y “Tevatron sets new initial luminosity record,” Fermilab Today, March 22th 2010.

¿Qué significa la luminosidad instantánea? Este número multiplicado por la sección eficaz (con unidades de área) de un proceso que involucra partículas elementales nos da el número de veces que dicho proceso se produce en el Tevatron por segundo. La luminosidad está relacionada con la probabilidad de que la colisión de dos protones a cierta energía produzca una colisión entre partones (entre quarks, entre gluones, o entre gluones y quarks) de suficiente energía para generar partículas de gran masa. A mayor luminosidad, mayor será la masa de las partículas que se pueden producir con una probabilidad no despreciable. Veamos algunos ejemplos de lo que significa este récord de luminosidad instantánea. La sección eficaz de la colisión de protón y un antiprotón es de 0’08 barns, luego se producen unos 30 millones de colisiones por segundo. Los resultados de todas estas colisiones no se almacenan, sino que se aplica un proceso automático de selección (discriminación) que almacena los resultados de unas 100 colisiones por segundo. Las demás se descartan porque se supone que se entienden perfectamente y no merece la pena almacenar lo que se entiende en disco duro para un análisis posterior. La creación de un bosón W tiene una sección eficaz de 20 nanobarn, luego el Tevatron produce unos 8 bosones W por segundo, que pueden ser detectados en sus detectores CDF o DZero. Un proceso “raro” que gracias al récord de luminosidad se convierte en algo “normal.” La creación de un par de quark-antiquark cima (top) es un proceso aún más raro, con una sección eficaz de 7 picobarn, luego se producen un par cada 6 minutos, o 10 por hora.

Este récord de luminosidad en el Tevatron ha sido muy difícil de lograr, ya que generar haces de antiprotones tan intensos es muy difícil. Para algunos es posible que el Tevatron haya alcanzado en marzo de este año su último récord, su límite máximo de luminosidad, y que a partir de ahora nos encontraremos con su plateau de luminosidad (el momento a partir del cual ya será imposible superar este récord). Quizás se equivoquen, quizás no.

Publicado en Science: El joven científico español Tomás Palacios entrevistado en la revista Science

La meteórica carrera científica del jovensísimo físico ingeniero de telecomunicaciones español Tomás Palacios (1978-), actualmente en el MIT, EEUU, va viento en popa (recientemente recibió el National Science Foundation (NSF) CAREER Award, July 2009). Le entrevistan en detalle en uno de los artículos del número especial sobre nuevas tecnologías de transistores (el número de 26 de marzo de 2010) de la prestigiosa revista Science. Robert F. Service ha escrito un artículo que revisa el estado actual sobre los dispositivos electrónicos semiconductores basados en nitruros. Dicho artículo se basa en un resumen de una entrevista a Tomás Palacios sobre estas tecnologías. En lugar de entrevistar a Nakamura, el creador del led azul que se utiliza en la tecnología Blu-Ray, basado en nitruro de galio (GaN), Service prefiere entrevistar a Tomás que junto a su grupo en el MIT desarrolló un transistor de alta mobilidad electrónica basado en AlGaN/GaN, capaz de amplificar señales hasta los 300 GHz (la tecnología de los teléfonos móviles actual utiliza de 1 a 2 GHz). Una gran noticia para la ciencia y técnica españolas, aunque provenga de un compatriota emigrado a los EEUU. Recomiendo a todos los que tengan acceso a Science la lectura del artículo de Robert F. Service, “Nitrides Race Beyond the Light,” News, Science 327: 1598-1599 26 March 2010.

Palabras de Tomás Palacios en Science

“It’s a very exciting time for nitride electronics, and the performance is increasing very fast,” says Tomás Palacios.

Palacios says that “in contrast to most other semiconductors, the electronic behavior of nitrides can be tuned over a wide range.”

“This gives us a high flexibility to design new optoelectronic and electronic devices,” Palacios says.

Nitride high-frequency transistors are key to making amplifiers for satellite communications, radar devices, and cell phone base stations, Palacios says, because they are heat-tolerant, can send out large amounts of power, and can be made very small. In the March issue of IEEE Electron Device Letters, Palacios and colleagues report making the first-ever AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors that can amplify signals at a frequency of 300 billion times per second, or 300 gigahertz. Today’s cell phone base stations use amplifiers that work at a rate of about 1 to 2 GHz. So if the nitrides can be made to work as reliably, they could dramatically increase the speed of wireless communications. And the progress is not likely to end soon. “We think we are far from the limit,” Palacios says.

Como ya sabéis los lectores habituales de este blog, desde aquí le tenemos mucha admiración a Tomás y seguimos puntualmente sus logros más destacados. También en este blog “Tan fácil como tocar y pegar o cómo depositar capas monoatómicas de grafeno sobre silicio y óxido de silicio utilizando cobre,” 7 Mayo 2009, y “La meteórica carrera de Tomás Palacios y el transistor de grafeno ultrarrápido,” 4 Mayo 2009.

Publicado en Nature: El Lado Humano de la Comuna en el LHC del CERN

Los científicos y técnicos que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC por Large Hadron Collider) del CERN forman una comuna, en palabras de la socióloga Karin Knorr Cetina de la Universidad de Constance, Alemania, que lleva 30 años estudiando las redes sociales entre los miembros del CERN. Hay más de 10000 científicos de todo el mundo que forman parte del LHC, de los que 2250 están contratados directamente por el CERN y unos 3000 están simutáneamente en sus instalaciones. Los dos experimentos más grandes, CMS y ATLAS acumulan más de 2700 y casi 3000 miembros, resp. ¿Por qué una comuna? Según Knorr Cetina en el CERN las decisiones no se toman de arriba hacia abajo porque hay demasiados grupos de investigación ultraespecializados trabajando simultáneamente y de forma independiente. Además, el CERN es como una pequeña ciudad donde los físicos de partículas trabajan en bloque por el bien de la comunidad. Los indivualismos no tienen cabida en el LHC. El estilo de vida comunitario se respira por todos lados. El CERN tiene sus propios restaurantes, oficina de correos, banco y otros servicios. Se puede vivir en el CERN sin visitar para nada la cercana Ginebra, Suiza. “Una burbuja de conocimineto de la que no se puede escapar. Incluso la policía suiza tiene limitado el acceso a las instalaciones del CERN, que se consideran territorio internacional.” Personas procedentes de todo el mundo trabajando juntos en pro de un objetivo común. Nos lo cuenta Zeeya Merali, “The Large Human Collider. Social scientists have embedded themselves at CERN to study the world’s biggest research collaboration, a 10000-person physics project,” Nature 464: 482-484, 25 March 2010.

La política de publicaciones refuerza la idea de que la comunidad está por encima del individualismo: Todos los artículos  que contienen resultados experimentales deben estar firmados por todos los miembros de las colaboraciones (o experimentos) responsables de los mismos, ordenados alfabéticamente por país. Esta es la mejor manera de que se “olvide” quien fue el autor original de la idea que originó el trabajo publicado. Por ejemplo, el primer artículo de la colaboración CMS, publicado en febrero de 2010, que descubrió que en las primeras colisiones en diciembre de 2009 se produjo un mayor número de partículas exóticas, un tipo de mesones, de lo esperado inicialmente (no se puede descartar que sea una mera fluctuación estadística sin mayor significación), contenía 15 páginas con los nombres de los autores, entre 2200 y 2300 personas en total; ni siquiera los líderes de la colaboración CMS están seguros del número exacto (yo no me he molestado en contarlos). Por si alguien se lo pregunta, la web del CERN contiene un listado de los miembros actuales de cada colaboración (que alguien actualiza con las nuevas altas y bajas) de tal forma que quien escribe un nuevo artículo sólo tiene que insertar el listado sin preocuparse de más detalles. Por cierto, el artículo técnico es The CMS Collaboration, “Transverse momentum and pseudorapidity distributions of charged hadrons in pp collisions at sqrt(s) = 0.9 and 2.36 TeV,”  Journal of High Energy Physics 02: 041, 2010 (ArXiv, 3 Feb 2010).

¿Quién se atreve a revisar un artículo publicado por los miembors del LHC? ¿Realmente alguien entiende todo el conocimiento que contiene uno de dichos artículos? La labor es muy difícil. Los mejor calificados para revisar por pares un artículo de una colaboración del LHC son los propios miembros de dicha colaboración. El artículo del Journal of High Energy Physics fue revisado por pares en sólo 4 días. Para este tipo de artículos la “revisión por pares externos antes de su publicación en una revista internacional es un mero trámite sin importancia, la revisión más rigurosa es la revisión interna que realizan los propios compañeros de la colaboración antes de que el artículo vea la luz,” afirma Albert de Roeck, portavoz suplente (deputy spokesman) del experimento CMS. En muchos casos un documento pasa por varios meses de revisión interna, rigurosos controles y revisiones exhaustivas.

La figura que abre esta entrada muestra la evolución del número de miembros de los diferentes experimentos/colaboraciones del CERN desde 1977 a 2010. ¿Cuántos miembros tendrán los futuros experimentos de física de partículsa cuando el LHC ya sea historia? Zeeya Merali se atreve a estimarlo: al menos 25000. ¿Hay algún límite para el tamaño de la comuna de un gran colisonador de partículas? Muchos sociólogos están estudiando en la actualidad este tipo de cuestiones.

Últimas noticias sobre Perelman: Todavía no ha decidido si aceptará o no el millón de dólares

Grigory Perelman está siendo acosado por los medios de Rusia. Entrevistas por teléfono, persecuciones de reporteros cámara en mano, no puede salir de casa sin una cámara al lado (LIFE News en ruso, 25 marzo 2010″, ver los 3 vídeos). Todo el mundo quiere saber si aceptará o no el Premio del Milenio. Su respuesta: me lo estoy pensando. El Ministro de Finanzas ruso Alexei Kudrin, personalmente, decidirá el impuesto que se le aplicará a Perelman. Si su premio se considera tan importante como el Premio Nobel, estará libre de impuestos, si no, tendrá que tributar un 13% por ingreso personal, aunque si se considera el premio como un regalo deberá tributar el 35%.

Palabras de Grigory Perelman a un reportero por teléfono:

[23 marzo 2010] – Вновь повторю: я еще ничего не решил, – сказал по этому поводу сам Григорий Перельман. - Te repito: no he decidido nada, – dijo en esta ocasión Grigori Perelman. – Не знаю, заберу ли премию. - No sé si recogeré el premio. И очень сомневаюсь, что все то, что вы мне рассказали о налогах, соответствует действительности. Pongo en duda lo que me dices acerca de los impuestos, es falso.

[19 marzo 2010] – Я еще не принял никакого решения, – сказал по телефону Перельман. - Todavía no he tomado ninguna decisión, – dijo por teléfono Perelman. – Если что-то решу, первым об этом узнает институт Клэя, который и учредил премию. - Cuando lo decida, los primeros en enterarse serán los del Instituto Clay, responsables del premio. Но пока ничего не решено. Hasta ahora no hay nada decidido.

Por cierto. En muchos medios están diciendo que Perelman ha rechazado el millón de dólares. NO ES VERDAD. Oficialmente el Instituto Clay no ha confirmado que haya rechazado el dinero… es un bulo que corre por Internet y que ha llegado a Menéame y otros medios. Medios, que como al final acepte el galardón, van a quedar fatal. Por supuesto si lo rechaza acabarán en la misma categoría que Rapell: el 50% de las veces aciertan las predicciones de tipo sí o no.

Publicado en Nature: La “lista negra” de los científicos “inútiles” del Reino Unido

Cuando en España había “Mili” (Servicio Militar Obligatorio) que te declararan “inútil” no estaba mal visto y muchos presumían de ello. La ciencia británica ha decidido denominar “inútiles” a una serie de científicos, que en lugar de presumir de serlo, se lamentan.  La “lista negra” de la ciencia británica ha nacido este año con 140 miembros. Se estima que el año que viene podría alcanzar los 450. Un investigador británico con sus tres últimos proyectos de investigación rechazados pasa a la “lista negra” de los que no pueden solicitar un cuarto, los “inútiles” (“repeatedly unsuccessful” applicant). Gran parte de la investigación científica en el Reino Unido está financiada por el Consejo Superior de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas [Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC)]. Cada año cuesta más que el EPSRC financie un proyecto de investigación, uno de las 5000 solicitudes que recibe al año. En el año 2000, el 43% de los proyectos de investigación fueron concedidos, pero el porcentaje ha caído al 26%. La normativa se ha endurecido. Este año se aplica una nueva normativa que impide volver a solicitar el mismo proyecto que el año anterior (este año el número de solicitudes ha bajado un 35%). Y para más inri, en enero 140 proyectos de investigación solicitadosfueron rechazados sin revisión por pares. A casi nadie le gusta que le llamen “inútil” y muchos científicos británicos están preparando protestas. Año de vacas flacas… nos lo cuenta Richard Van Noorden, Geoff Brumfiel, “Fixing a grant system in crisis. Facing a flood of applications from researchers, a UK funding agency is taking drastic steps,” News, Nature 464: 474-475, 25 March 2010. 

Una caso concreto. Philip Moriarty, físico de la Universidad de Nottingham, está en la “lista negra” como le informaron el 21 de enero de 2010 mediante  e-mail. Su solicitud de proyecto había sido rechazada sin revisión por “inútil.” Para él ha sido un palo. En su opinión una injusticia. Ni justificada, ni justificable. Eso sí, no se va a morir de hambre ni lo van a poner en la calle. Máxime cuando en 2008, Moriarty recibió del EPSRC financiación a través de los 1’5 M£ (millones de libras) extraordinarios destinados a fortalecer a “investigadores de talento”. En su opinión, “si tenía talento” seguirá teniéndolo. Digo yo… Dice él que su proyecto de investigación podría haber pasado el corte de los revisores. Nunca se sabrá… porque el año que viene no puede enviar el mismo proyecto (o un proyecto sobre el mismo tema). Está en la “lista negra.”

Otro caso. Amalia Patanè, también físico de la Universidad de Nottingham, que está entre los 450 que tienen sus dos últimos proyectos de investigación rechazados y teme que, como le rechacen el que acaba de pedir, pasará a la temida “lista negra.” ¿Nerviosa? No. ¡Aterrada! Para ella, no recibir un pellizquillo de los 815 M£ que el EPSRC invertirá en investigación y educación en el presente año fiscal supone todo un trauma.

Por supuesto, los que hay que ni se coscan. Mike Glazer, físico de la Universidad de Oxford, opina que “que haya científicos en la “lista negra” me importa un carajo.” El sistema no prohíbe que los científicos envíen propuestas pésimas. Quien así lo haga, que se atenga a las consecuencias. Tom Welton, Director del Departamento de  Química del Imperial College de Londres, añade que “cuando el gobierno puede hacer algo que afecte a tu trayectoria como científico, debes estar muy seguro de los pasos que das, cuidar hacia donde apuntas y no apuntar a lo loco.” Obviamente es fácil decirlo desde su posición. Muy lejos de la “lista negra” (o no tanto, tres proyectos rechazados son sólo eso, tres proyectos rechazados).

Diferentes puntos de vista en relación a una “lista negra” de científicos, idea que espero que no se imite en España, aunque nunca se sabe… Lo que está claro es que garantizar la calidad cuesta dinero y si no hay dinero, la mejor manera de garantizar la calidad es cortar por lo sano. Si a priori eres “inútil,” lo fácil es pensar que eres “inútil,” aunque como en la “Mili” el más “listo” sea al que declaran “inútil.”

El matemático John Torrence Tate, ganador del Premio Abel 2010, dotado con un millón de dólares

La Academia de Ciencias y Letras de Noruega ha resuelto conceder el Premio Abel 2010 a John Torrence Tate Universidad de Texas, Austin, EE.UU., por su notable y duradera influencia en la teoría de números. Esta teoría se desarrolló en el siglo XX y ha llegado a ser una de las ramas más elaboradas y sofisticadas de las Matemáticas, interactuando profundamente con otras áreas como la Geometría algebraica y la teoría de las formas automórficas. John Tate es uno de los principales artífices de este desarrollo. Tate ya recibió (junto a Mikio Sato) el Premio Wolf de 2002-2003. Video (MOV) de John Tate ”Lecture on the Millennium Problems.” Artículos con la palabra “Tate” en el título según Google Scholar (3990).

“Tate es el creador de una profusión de ideas y construcciones matemáticas esenciales, entre las que se incluyen la cohomología de Tate, el teorema de dualidad de Tate, los grupos Barsotti-Tate, el motivo de Tate, el módulo de Tate, el algoritmo de Tate para las curvas elípticas, la altura de Néron-Tate sobre los grupos de Mordell-Weil de variedades abelianas, los grupos Mumford-Tate, el teorema de la isogenia de Tate y el teorema de Honda-Tate para las variedades abelianas sobre los cuerpos finitos, la teoría de la deformación de Serre-Tate, los grupos de Tate-Shafarevich y la conjetura de Sato-Tate, sobre las familias de curvas elípticas. Y la lista no acaba aquí, ni muchísimo menos.

La tesis de Tate de 1950, sobre el análisis de Fourier en cuerpos de números, abrió una vía para la teoría moderna de las formas automórficas y sus funciones L (relacionadas con la conjetura de Riemann). En colaboración con Emil Artin, Tate ha revolucionado la teoría global de cuerpos basándose en nuevas técnicas de cohomología de grupos. Con Jonathan Lubin, se dedicó a la refundamentación de la teoría local de cuerpos mediante una ingeniosa utilización de los grupos formales. Tate inventó los espacios analíticos rígidos, que han engendrado el campo entero de la Geometría analítica rígida. Él encontró un análogo p-ádico a la teoría de Hodge, actualmente denominada teoría de Hodge-Tate, que ha culminado en otra técnica fundamental de teoría algebraica de números moderna.”