Para qué sirve encontrar un objeto perdido en la luna

La noticia “Descubren reflector láser soviético en La Luna, perdido durante 40 años,” aparecida en Menéame, nos dirige a la noticia de Richard A. Kerr, “ScienceShot: Decades-Old Soviet Reflector Spotted on the Moon,” Science Now, April 26, 2010, noticia que nos contó Susan Brown, “Lost Light from the Moon May Be Sent Astray by Dusty Reflectors,” UC San Diego News, April 15, 2010, que nos volvieron a contar, supongo que por si las moscas, tras el éxito en Science Now en Kim McDonald, “UC San Diego Physicists Locate Long Lost Soviet Reflector on Moon,” UC San Diego News, April 26, 2010.

El 22 de abril, gracias al Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA, se ha encontrado un vehículo lunar soviético (Lunokhod 1, que se lee/escribe en español como Lunojod) que aterrizó en la luna el 17 de noviembre de 1970, que tenía montado un retroreflector de esquina de fabricación francesa. Este vehículo se había perdido en la luna. El retroreflector está diseñado para reflejar cualquier señal luminosa que reciba en la misma dirección en la que fue enviada por lo que es ideal para medir la distancia entre la tierra y la luna con una precisión de centímetros. ¿Para qué sirve encontrar un objeto perdido como éste si ya hay otros reflectores puestos por los americanos de la NASA en la luna? Parece una tontería, pero al tener varios puntos en los que medir la distancia tierra-luna tenemos la posibilidad de triangular y de verificar con gran detalle la teoría de la gravedad. La de Newton y la de Einstein. Realmente es curioso que encontrar un reflector de espejo en esquina soviético perdido por los rusos nos permite estudiar la validez de la teoría de la relatividad general de Einstein para la gravedad. Realmente curioso. “A long-lost object on the Moon will help test general relativity,” Symmetry breaking, April 26, 2010.

“El Lunojod 1 fue transportado a la Luna por la sonda Luna 17, y alunizó el 17 de noviembre de 1970. El pequeño vehículo poseía ocho ruedas, tenía una longitud de 2,22 m y 1,60 m de ancho y un peso de 756 kg. Teledirigido desde la Tierra, exploró ampliamente el Mare Imbrium (Mar de las Lluvias), realizando en casi un año de actividad más de 10 km de recorrido y transmitiendo a la Tierra más de 20 000 imágenes televisivas y 200 vistas panorámicas de una zona de más de 80 000 metros cuadrados. El reflector-láser diseñado y construido por especialistas franceses permitió obtener excelentes medidas de la distancia Tierra-Luna con una exactitud 100 veces superior a la de los métodos tradicionales de radio localización.

Durante 10 días lunares, el Lunojod 1 obedeció las órdenes dadas por el equipo de Tierra, superando con creces los 90 días terrestres que se estimaron de vida útil, dejando de obedecer a los técnicos en octubre de 1971, al finalizar su undécima noche lunar. La causa del cese de actividad de esta sonda, fue debido al agotamiento de la pila isotópica de la calefacción del equipo de instrumentos, con el consiguiente congelamiento del mismo.”

Desde que dejó de funcionar, muchos lo han tratado de encontrar en la luna, pero parecía imposible (sobre todo porque era buscado a varios kilómetros de distancia de donde realmente estaba). Salvo por este pequeño detalle, la misión fue todo un éxito. El retroreflector que utilizaba estaba formado por 14  reflectores en esquina, cada uno formado por un prisma que actúa como 3 espejos que forman la esquina de un cubo. Este tipo de reflector tiene la ventaja de que si recibe un rayo de luz en cierta dirección lo refleja exactamente en la misma dirección, independiente de la orientación que tenga el reflector. Este tipo de reflector funciona como un juego de niños, si lo piensas un poquito.

Es una gran noticia que se haya localizado y se puedan realizar experimentos con él, casi cualquiera puede hacerlo, como nos muestra el siguiente vídeo de Myth Busters que también explica el funcionamiento de este tipo de reflectores y más curiosidades sobre ellos.

Producción científica y revisión por pares a la velocidad de la luz

Parece imposible. O ya tenían preparados los borradores a falta de rellenar las tablas de datos o no se entiende. El 30 de marzo fueron las primeras colisiones a 7 TeV. Una semana más tarde ya había varios artículos enviados para publicación en revistas internacionales. El 14 de abril ya había 4 artículos aceptados para publicación en revistas internacionales y al menos otros 15 artículos adicionales en preparación. Más rápido parece imposible. Nos lo ha contado Sergio Bertolucci, Director de Investigación y Computación Científica del CERN, en una entrevista que le ha hecho Dan Drollette, “Peer-reviewed physics at the speed of light,” Symmetry breaking, April 30, 2010, entrevista para la revista International Science Grid This Week, April 28, 2010.

Drollette: We have heard that a lot of papers have already been published in the time since the start-up of the LHC. Is that right?

Bertolucci: Four papers on high-energy physics have already published, and 15 are in preparation as of today, April 14, all based on the collisions that just happened. One week after the first collisions, the first papers were published electronically. And these were all peer-reviewed.

¿Cómo lo han logrado? Según Bertolucci, las miles de personas que trabajan en cada experimento están divididas en pequeños proyectos o equipos que producen sus artículos de forma separada. Una vez escritos, se pasan dichos artículos al resto de los equipos para que los revisen de forma interna. Tras este proceso, un comité específico del CERN realiza la última revisión. El resultado es que la revisión interna es mucho más dura que la que cualquier revista internacional pueda realizar, por eso muchos revisores externos confían a pies juntillas en ella y realizan una revisión por pares anónima célere y efectiva. Bertolucci nos indica además que la revisión interna en el CERN es muy rápida ya que se realiza en paralelo y no en serie, de tal forma que en la mayoría de los casos se puede garantizar que la publicación de un resultado tarde sólo una semana desde que se realizaron las observaciones que la sustentan. ¡Increíble! Una máquina de publicar perfectamente engrasada…

¿Por qué publicar tan rápido? Bertolucci afirma, como Obama y su yes, we can, que “si podemos hacerlo, por qué no aprovecharse de ello.”

Bertolucci: The whole system sounds complex, but nonetheless is fast, as seen by one week between observation and publication.

Drollette: Why publish so fast?

Bertolucci: We have the capability to do it, so why not take advantage of it?

Algunos de vosostros se preguntará, en un artículo firmado por más de mil autores, ¿todos se han leído el artículo? ¿Quién lo ha escrito? ¿Quién sabe lo que cada uno ha aportado al artículo? ¿Importa? Tommaso Dorigo, como no, nos lo contó en “A Thought On Scientific Output Of Experimentalists In Large Collaborations,” A Quantum Diaries Survivor, April 8th 2010. Os recuerdo que él sabe lo que dice, Tommaso es miembro del experimento CMS del CERN y ha sido miembro del experimento CDF del Fermilab durante muchos años, además, ha formado parte del comité interno de revisión de artículos técnicos del Fermilab.

Tommaso tiene más de 440 artículos científicos, pero sólo ha escrito unos 20 de estos artículos, sólo ha contribuido significativamente en otros 20 o así, sólo ha ojeado unos 200, y ni siquiera se ha molestado en ojear los otros 200. Nos lo confiesa literalmente como sigue.

Dorigo: My publication list counts over 440 entries by now. But what that number means, it is not so clear – I edited about twenty of those papers, contributed significantly to another 20 or so, and barely read some other 200, while I have not even browsed through the remaining half.

El experimento CDF lleva 20 años produciendo artículos y ha producido unos 600 (el número exacto no importa en este ejemplo) cada uno de ellos con unos 600 autores, lo que indica que cada colaborador del experimento CDF ha producido el equivalente a un artículo/persona en 20 años. La física experimental a lo grande, big science, en instalaciones como el Fermilab o el CERN es así. Todo lo contrario a lo que ocurre con los grupos de físicos teóricos. Grupos pequeños, de 3 a 5 miembros, que producen uno o dos artículos al año.

Da que pensar…

PS (11 mayo 2010): También de recomendable lectura (y bien ilustrado con humor) Zachary Marshall, “I Wrote That!,” US/LHC Blogs, 11 May 2010.

Dos galaxias espirales en colisión fusionan sus superagujeros negros y forman una galaxia elíptica

Estas simulaciones muestran la fusión de dos galaxias espirales similares a la Vía Láctea, una de ellas con una masa doble de la otra, incluyendo la fusión final de sus respectivos superagujeros negros y la formacióin de una galaxia elíptica final, con una duración total de 2000 millones de años. Los discos galácticos iniciales están en equilibrio, con propiedades similares a las observadas, con una protuberancia esférica central, un superagujero negro central y un halo de materia oscura. Conforme los halos orbitan entre sí, las galaxias pierden momento cinético por fricción que adquiere la materia oscura, lo que provoca que acercen sus agujeros negros centrales hasta colisionar. Este proceso lleva mucho gas hacia el centro de cada galaxia por lo que los respectivos agujeros negros y su disco de acreción crecen. Dicha zona se convierte en una cuna de estrellas aunque se mantienen muy pequeños respecto al tamaño global de la galaxia, por lo que aparece una zona a su alrededor de gran formación de nuevas estrellas. Tras la fusión de los superagujeros negros, el gas que le rodea se calienta provocando un viento galáctivo que expulsa de forma explosiva el gas que está más frío. Cuando la formación de nuevas estrellas finaliza, el sistema se relaja y evoluciona hacia una galaxia elíptica típica. Las animaciones muestran la evolución del gas, cuya temperatura se codifica con colores de 10⁴ K (azul) a ~10⁶ K (rojo), y la evolución de las estrellas, cuya edad media se codifica con colores de  10⁷ años (azul) a ~10⁹ años (rojo). El brillo de los colores codifica la densidad estelar superficial, en escala logarítmica, claro. La página web del autor de la simulación, Philip F. Hopkins en la Universidad de Harvard (ahora está en la Universidad de California en Berkeley), incluye animaciones adicionales (formato AVI). El vídeo se realizó en colaboración con Volker Springel de la University de Heidelberg.

Las simulaciones por ordenador de la colisión entre galaxias nos presentan resultados que se parecen mucho a las imágenes de galaxias en colisión que nos ofrece el telescopio espacial Hubble de la NASA. Este vídeo muestra algunos ejemplos. En mi opinión, es realmente espectacular el parecido entre los resultados de las simulaciones por ordenador y las imágenes. La simulación es de Chris Mihos (Case Western Reserve University) y Lars Hernquist (Harvard University) y ha sido extraída de “Hubble Studies Different Stages in the Collision Between Galaxies.”

La dinámica de las colisiones galácticas está controlada fundamentalmente por la interacción entre sus superagujeros negros, como muestra esta simulación de Tiziana Di Matteo, Volker Springel, y Lars Hernquist. La simulación muestra la distribución del gas en las dos galaxias, con el color indicando la temperatura y el brillo la densidad. El vídeo está extraído de la web “Galaxy collisions awaken dormant black holes,” información complementaria del artículo técnico T. Di Matteo, V. Springel, L. Hernquist, “Energy Input from Quasars Regulates the Growth and Activity of Black Holes and Their Host Galaxies,” Nature 433: 604-607, 10 February 2005.

Todos estos vídeos y más aparecen en la “Video Gallery: Galactic Mergers,” Science 328: 576-578, 30 April 2010, que acompaña al artículo de Joel Primack, “Astronomy: Hidden Growth of Supermassive Black Holes in Galaxy Mergers,” Perspectives, Science 328: 576-578, 30 April 2010. Todo indica que la colisión de galaxias produce la fusión de sus superagujeros negros y la aparición de un cuásar que inicialmente está oculto por el gas y el polvo producido durante la colisión. Unos 100 millones de años más tarde, el cuásar se hace visible al emitir chorros transversales del material que lo oscurecía. Esta es la conclusión más importante del interesante artículo técnico de Ezequiel Treister et al., “Major Galaxy Mergers and the Growth of Supermassive Black Holes in Quasars,” Reports, Science 328: 600-602, 30 April 2010, que muchos ya conoceréis por que se publicó originalmente en Science Express el 25 de marzo de 2010.

La importancia de la firma de un “pope”

La producción y financiación de muchos grupos de investigación depende de la firma y del nombre del pope, del boss, del jefe, del IP, del investigador principal, sobre todo si es una superestrella. Todo el mundo lo sabe, pero ¿de verdad es verdad? Un estudio estadístico de Azoulay et., del MIT, lo ha demostrado empíricamente. Han estudiado 230 000 investigadores en facultades de medicina de EEUU, 10 000 de los cuales han sido calificados como miembros de la élite, superestrellas científicas, en función de 7 criterios profesionales objetivos. ¿Qué le pasa a un grupo de investigación cuando fallece su IP? Suena duro, pero también fallecen… En los últimos 20 años, han fallecido 112 investigadores de élite entre los 10 000 estudiados, ¿qué les ha pasado a sus grupos de investigación? Su productividad científica (en número y calidad de sus publicaciones) y su financiación anual ha descendido en casi un 10%. Mucho o poco, según se mire, según quien lo mire. Pertenecer a un grupo de investigación cuyo IP es un pope es una garantía que permite acceder a ciertos privilegios, tanto en financiación como en publicación de resultados científicos. Más claro, agua. El artículo técnico es Pierre Azoulay, Joshua S. Graff Zivin, Jialan Wang, “Superstar Extinction,” Quarterly Journal of Economics 125: 549-589, May 2010, y nos lo cuenta brevemente Gilbert Chin, “Economics: The Invisible College of Ideas,” Editor’s Choice, Science 328: 549,  30 April 2010.

La hipótesis de Némesis, el planeta X y la nube cometaria de Oort

La hipótesis de Némesis, propuesta en 1984, afirma que puede existir una estrella compañera del Sol, quizás una enana marrón, que cada 26 millones de años atraviesa la nube de Oort provocando una intensa lluvia de cometas sobre la Tierra, que provoca catástrofes como extinciones masivas de seres vivos. Nos lo recuerda José Manuel Nieves, “¿Un nuevo planeta gigante en el Sistema Solar?,” ABC.es, 28/04/2010 (visto en portada de Menéame), que se hace eco del artículo de John J. Matese y Daniel P. Whitmire, “Persistent Evidence of a Jovian Mass Solar Companion in the Oort Cloud,” ArXiv, 26 Apr 2010, que proponen la posible existencia de un planeta joviano (tipo Júpiter) en la parte exterior de la nube cometaria de Oort (más allá de Plutón). Este planeta podría tener una masa entre 1 y 4 veces la de Júpiter y estaría orbitando el Sol a una distancia de cerca de un año luz según un análisis estadístico de ciertas anomalías observadas en la población de cometas en la zona externa de la Nube de Oort. Caso de existir este planeta será fácilmente detectado por el satélite WISE (Explorador de Observación Infrarroja de Campo Amplio o Wide Field Infrared Explorer), que la NASA puso en órbita el  14 de diciembre de 2009. Las anomalías en la órbitas del 25% de 82 cometas de la nube de Oort ya fue estudiada por los mismos autores hace unos años, J. J. Matese, P. G. Whitman, D. P. Whitmire, “Cometary Evidence of a Massive Body in the Outer Oort Clouds,” Icarus 141: 354-366, October 1999, y J. B. Murray, “Arguments for the presence of a distant large undiscovered Solar system planet,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 309: 31-34, 1999 [versión gratis].

Como nos indica José Manuel, estos autores no quieren que se confunda su hipótesis con Némesis y juran y perjuran que lo suyo es un planeta joviano, no una enana marrón. ¿Por qué si la mayoría de los astrónomos no ven demasiado clara las diferencias entre planetas jovianos pesados y enanas marrones ligeras? La razón quizás sea que la hipótesis de Némesis está asociada a cierto esoterismo (como que la NASA nos oculta la existencia de dicha enana marrón). De hecho, quizás por ello José Manuel Nieves se ha olvidado de otro artículo reciente que afirma apoyar la hipótesis de Némesis de Igor Yu. Potemine, “Giant Nemesis candidate HD 107914 / HIP 60503 for the perforation of Oort cloud,” ArXiv, 27 Mar 2010.

¿Cuáles son los límites actuales para la posible existencia de planetas y/o estrellas marrones en la región de la nube de Oort? Nos los detalla Lorenzo Iorio, “Constraints on planet X/Nemesis from Solar System’s inner dynamics,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 400: 346-353, 2009 [versión en ArXiv]. Estos límites, la verdad, limitan poco estas hipótesis y dejan la puerta abierta para todo tipo de conjeturas.

Yo me enteré de la hipótesis de Némesis en Investigación y Ciencia, abril de 2001, en un artículo de Daniel Grossman, “Perfiles. Richard Muller: un desastre tras otro,” que en inglés podemos leer en “One Disaster after Another. The father of the idea that a sibling of the sun periodically wreaks havoc on Earth finds inspiration in catastrophes,” Scientific American 30-31, February 2001. Muller se ha caracterizado por ofrecer gran número de “ideas locas” que han sido muy criticadas. Si James Bond tiene licencia para matar, Muller tiene licencia para acercarse a la parte esotérica de la astrofísica.

La hipótesis de Némesis tiene su origen en 1983, cuando el astrofísico Richard A. Muller, el “chico malo” de la astrofísica teórica, y su mentor, el Premio Nobel Luis W. Alvarez, se propusieron explicar la periodicidad de 26 millones de años para las extinciones de animales y plantas en la Tierra provocadas por la colisión de cometas que publicó Luis, ya emérito, con su hijo Walter y otros colegas, en la mismísima Science (Luis W. Alvarez, Walter Alvarez, Frank Asaro, Helen V. Michel, “Extraterrestrial Cause for the Cretaceous-Tertiary Extinction,” Science 208: 1095-1108, 6 June 1980). Como no, Muller no iba a ser menos, y publicó su trabajo en nada más y nada menos que Nature (Marc Davis, Piet Hut, Richard A. Muller, “Extinction of species by periodic comet showers,” Nature 308: 715-717, 19 April 1984). Una hipótesis apoyada por Science y Nature no es moco de pavo, aunque verse sobre una estrella enana marrón llamada Némesis que orbita el Sol en la nube de Oort y que causa periódicamente que la Tierra sufra una lluvia intensa de cometas. Una hipótesis que parece razonable ya que el 85% de las estrellas de la Vía Láctea tienen compañeras. Sin embargo, sin evidencias experimentales, como las que podrá obtener WISE, la hipótesis es sólo eso, una hipótesis y la mayoría de los astrónomos y astrofísicos piensan que esta hipótesis es poco razonable (y que se llegó a publicar en Science y Nature porque iba amparada por un Premio Nobel).

Hay muchísima información en la web sobre la hipótesis de Némesis (ver Menéame). Quizás por ello uno de los lectores de este blog me preguntó el año pasado en un comentario qué opinaba sobre la hipótesis de Némesis. ¿Qué opino? Que habrá que esperar qué tiene que decir al respecto WISE. La ciencia se construye a base de hipótesis descabelladas que son ratificadas o refutadas por los experimentos. Así que, tiempo al tiempo.

Publicado en Nature: Observada la transición de superfluido a supersólido en un estado condensado de Bose-Einstein excitada por superradiación

En 1954, Robert H. Dicke de la Universidad de Princeton, predijo la superradiación: una nube de átomos densa y muy alargada que es excitada con luz emite espontáneamete fotones a la largo del eje mayor de la nube, como un petardo o una bengala encendida en ambos extremos. La luz emitida es coherente, como la de un láser. Este fenómeno se confirmó utilizando condensados de Bose-Einstein (BEC). Ahora, Baumann y sus colegas han repetido este experimento dentro de una cavidad óptica (entre dos espejos) y han demostrado que la superradiación viene acompañada de una ruptura espontánea de la simetríaespacial, que implica una transición de fase de los átomos de un estado superfluido a un estado supersólido.  Algo tan sencillo como encerrar el BEC entre dos espejos incrementa la intensidad de la superradiación, gracias al rebote de los fotones emitidos entre los dos espejos de la cavidad. Nos lo cuentan Cheng Chin y Nathan Gemelke, “Quantum physics: Atoms in chequerboard order,” Nature 464: 1289–1290, 29 April 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Kristian Baumann, Christine Guerlin, Ferdinand Brennecke, Tilman Esslinger, “Dicke quantum phase transition with a superfluid gas in an optical cavity,” Nature 464: 1301–1306, 29 April 2010.

Baumann et al. han mostrado que la interferencia entre la radiación incidente y la superradiación produce un conjunto de pozos de potencial a modo de tablero de ajedrez en el que se redistribuyen los átomos del BEC. En función de la fase relativa entre la luz incidente y la superradiación se observan dos modos diferentes en los que se pueden distribuir los átomos en la red cuadrada de pozos de potencial, como muestra la imagen que abre esta entrada. El fuerte acoplamiento entre los fotones y el condensado, según Baumann et al., introduce interacciones a larga distancia entre sus átomos, lo que provoca una transición de fase cuántica de Dicke hasta un estado supersólido. Las transiciones de fase cuánticas, a diferencia de las transiciones de fase convencionales, no son provocadas por cambios en la temperatura, sino por fluctuaciones cuánticas. La explicación detallada del fenómeno observado requiere futuros estudios. La interacción conjunta en un BEC de la superradiancia, la ruptura espontánea de la simetría espacial, una transición de fase cuántica y la supersolidez es fascinante y presagia un futuro muy prometedor en óptica cuántica. Este trabajo ha abierto la puerta al país de las maravillas cuánticas en átomos ultrafríos encerrados en cavidades ópticas.

Publicado en Nature: Un asteroide cubierto de hielo en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter

El cinturón de asteroides está repleto de cuerpos rocosos que están tan cerca del Sol que parece imposible que puedan estar recubiertos de hielo. Sin embargo, desde Telescopio Infrarrojo en la cima del monte Mauna Kea, Hawai, dos equipos de investigadores han encontrado evidencias de hielo en la superficie de uno de los asteroides más grandes, el número 24 de la familia de asteroides llamada Themis. El espectro infrarrojo de Themis 24 mide la luz solar reflejada en su superficie y permite determinar la composición del material de la superficie del asteroide. Una línea de absorción en su espectro ha indicado la presencia de agua helada (una delgada capa sobre la superficie). Más aún, como Themis 24 rota sobre sí mismo cada 8’37 horas y se ha observado la misma línea de absorción en cuatro lecturas sucesivas, todo indica que Themis está completamente recubierto de hielo. Una cantidad de hielo tan grande en la superficie de un asteroide es una gran sorpresa para los astrónomos ya que la temperatura media en su superficie (entre 150 y 200 grados Kelvin) debe causar que dicho hielo se sublime en unos pocos años. La única explicación es que la capa de escarcha es continuamente generada por una lenta liberación de vapor de agua desde el interior de Themis 24. Obviamente una hipótesis que parece descabellada. Si este descubrimiento se confirma con estudios posteriores, supondrá un cambio profundo significativo en la manera en que entendemos la física de los pequeños cuerpos del sistema solar. Hsieh califica estos estudios de paleontología cósmica: en Themis 24 los científicos han descubierto el equivalente astronómico de un celacanto, un pez prehistórico que se creía extinto hasta que uno fue rescatado del mar en 1938 en Sudáfrica. Themis 24 representa un ventana “viva” hacia los orígenes del sistema solar en forma de hielo que, según todo el mundo cree, debería haber desaparecido hace mucho tiempo. Themis nos ofrece pistas muy interesantes sobre el surgimiento del agua líquida en la superficie de la Tierra. Habrá que estar al loro de lo que se descubra en este campo en un futuro próximo. Nos lo ha contado Henry H. Hsieh, “Asteroids: A frosty finding,” News and Views, Nature 464: 1286–1287, 29 April 2010, haciéndose eco de los artículos técnicos Humberto Campins et al., “Water ice and organics on the surface of the asteroid 24 Themis,” Nature 464: 1320–1321, 29 April 2010, y Andrew S. Rivkin, Joshua P. Emery, “Detection of ice and organics on an asteroidal surface,” Nature 464: 1322–1323, 29 April 2010. Uno de los investigadores del primer artículo es español, Javier Licandro del Instituto de Astrofísica de Canarias y de la Universidad de La Laguna.

La noticia del descubrimiento ya apareció en muchos medios, por ejemplo, en Ron Cowen, “Ice confirmed on an asteroid. Frozen water leaves its signature over the entire surface of the asteroid 24 Themis,” Science News, 176: 9, November 7th, 2009 [visto en su momento en Menéame].

PS (30 abr. 2010): A propósito de esta noticia, os recomiendo la lectura de César, “La falta de rigor en la comunicación de la ciencia: el caso del hielo en 24 Themis,” Experiencia docet, viernes 30 de abril de 2010.

Publicado en Nature: Un estudio confirma que los gemelos tienen genoma y transcriptoma idéntico, pero no epigenoma idéntico

Todo el mundo sabe que los gemelos monocigóticos (o univitelinos) tienen idéntico genoma ya que nacieron del mismo óvulo. Pero, ¿alguien lo ha comprobado? Sorprendentemente, se publica hoy en Nature la primera comprobación de que dos gemelas, una con esclerosis múltiple (EM) y la otra sin ella, tienen idéntico genoma hasta donde la tecnología de secuenciación genómica actual permite verificar. Tienen idénticos genes y expresan los mismos genes. Sin embargo, cómo es posible que una de ellas tenga EM y la otra no (el origen genético de EM parece bastante documentado). Los científicos han encontrado pequeñas diferencias en el epigenoma (lo que se hereda que no está en el ADN) entre ambas gemelas, pero estas diferencias no parecen suficientes para explicar la aparición de EM en una de las gemelas. Entonces, si ni el genoma, ni el transcriptoma, ni el epigenoma son la causa, ¿cuál es la posible causa? Sergio Baranzini, de la Universidad de California, San Francisco, y Stephen Kingsmore, del Centro Nacional para Recursos Genómicos, Santa Fé, Nuevo México, creen que la diferencia es la exposición al entorno. El mismo genoma expuesto a dos entornos diferentes, uno de ellos susceptible de provocar la aparición de la EM, parece la mejor explicación posible. Realmente curioso para quienes piensan que la medicina genética es la panacea de la medicina. Nos lo cuenta Alla Katsnelson, “Twin study surveys genome for cause of multiple sclerosis. Mapping milestone emphasizes complexity of disease,” News, Nature 464: 1259, Published online 28 April 2010, quien se hace eco del artículo técnico de Sergio E. Baranzini et al., “Genome, epigenome and RNA sequences of monozygotic twins discordant for multiple sclerosis,” Nature 464: 1351–1356, 29 April 2010.

Publicado en Science: Confirmación definitiva que la comunicación extracelular mediante cAMP inicia la agregación de las amebas sociales Dictyostelium

La ameba social, Dictyostelium discoideum, forma agregados multicelulares en forma de esporas cuando el alimento escasea que se descompone en células individuales cuando vuelve a estar disponible. Un nuevo estudio muestra los detalles bioquímicos de este proceso. Una ameba sintetiza de forma periódica AMP cíclico (cAMP) que segrega al medio extracelular para comunicarse con otras amebas y excitar en ellas una actividad similar, que en cadena, acaba provocando que todas estas amebas decidan agregarse formando una espora multicelular. El vídeo que abre esta entrada muestra este proceso gracias a imágenes por fluorescencia (se han marcado las moléculas de cAMP con moléculas fluorescentes de YFP). En el vídeo se muestran unas 180 amebas en una región de unos 0’42 mm cuadrados. Los flashes que parpadean en el vídeo corresponden a las oscilaciones transitorias en la concentración de cAMP citoplasmática (en el interior de la membrada de cada ameba). Más información en la página web de los autores. El artículo técnico es Thomas Gregor, Koichi Fujimoto, Noritaka Masaki, Satoshi Sawai, “The Onset of Collective Behavior in Social Amoebae,” Science, 22 April 2010.
 
Realmente es curioso comprobar los grandes avances que se han realizado en el conocimiento sobre el comportamiento social de la ameba Dictyostelium desde los trabajos pioneros en 1947 de John Bonner, ahora profesor emérito de la Universidad de Princeton. Hace 60 años, Bonner filmó por primera vez el comportamiento social de esta ameba (como muestra el vídeo de más abajo) y sólo ahora ha sido posible comprender los detalles bioquímicos de este proceso de agregación. Alguien me dirá, ¿cómo que ahora? Eso ya se sabía desde hace muchos años. Es cierto, la hipótesis de que el cAMP era el mensajero de la comunicación que iniciaba la formación de las esporas es ya clásica, se había propuesto en los 1970, pero sólo ahora ha recibido una confirmación experimental definitiva. Así es la ciencia. Una hipótesis, por muy plausible que sea, es sólo eso, una hipótesis, hasta que recibe una confirmación definitiva, una confirmación fuera de toda duda. Todos ya lo habíamos escuchado muchas veces, todos ya lo sabíamos, pero sólo ahora se ha confirmado definitivamente y por eso el artículo ha merecido publicarse en la prestigiosa Science.

Cuando los árboles no dejan ver el bosque… o la autosemejanza de la distribución de árboles en un bosque

Proclamar que un fenómeno es fractal parece que está mal visto así que muchos ahora utilizan el término autosemejante. Pero en el fondo es prácticamente lo mismo, una ley de potencias. ¿Es autosemejante la distribución de tamaños de árboles en un bosque? Filippo Simini et al., “Self-similarity and scaling in forest communities,” PNAS 107: 7658-7662, April 27, 2010, nos presentan un modelo ecológico sencillo en extremo, un modelo matemático resoluble de forma exacta, que explica la relación entre el tamaño de la copa de un árbol en un bosque y la disponibilidad o abundancia de recursos en el mismo. Una ley de potencias en su expresión más pura. Más sencillo es casi imposible. Me sorprende y me admira. Máxime cuando los autores afirman que el exponente de su ley de potencias, que confirman estudios previos obtenidos experimentalmente, puede ser utilizado para predecir la efectos antropogénicos en los bosques. Su ley describe los bosques en su estado natural. Si un bosque no sigue su ley es que algo pasa. A veces los árboles no dejan ver el bosque… y a veces los artículos en PNAS no dejan de sorprenderme.

Hablando de fractales, en el mismo número de PNAS el artículo de Gergely Palla et al., “Multifractal network generator,” PNAS 107: 17 7640-7645, April 27, 2010, nos indica cómo generar por ordenador una red (o un grafo) con propiedades concretas de multifractalidad. Estos grafos pueden ser muy útiles para verificar o contrastar hipótesis sobre la fractalidad o autosemejanza de datos experimentales concretos. Una herramienta, a priori, de gran utilidad para ecólogos, biólogos, informáticos y otros científicos interesados en sistemas complejos, hoy tan de moda. ¿Qué pasaría si contrastamos el modelo de Simini et al. con estas redes? Supongo que nadie se molestará en hacerlo, por si las moscas…

Utilizando supercomputadores logran predecir la temperatura crítica a la que el calcio es superconductor

El calcio es superconductor a altas presiones, por encima de 50 gigapascales y su temperatura crítica (Tc) crece hasta alcanzar 25 K a 161 gigapascales, la Tc más alta conocida en un elemento químico. ¿Puden las simulaciones por ordendar predecir la Tc del calcio a altas presiones? Artem Oganov et al. afirman en PNAS que han sido capaces de calcular teóricamente la Tc del calcio conforme va sufriendo transiciones de fase al incrementarse la presión utilizando sólo simulaciones por ordenador. Las simulaciones tienen la ventaja de que permiten entender el porqué surge la superconductividad en detalle (activando y desactivando efectos físicos relevantes). Los átomos de calcio a altas presiones no se comportan como pequeñas “esferas duras” en la estructura cristalina del sólido, sino que se deforman de tal forma que logran empaquetarse en nuevas configuraciones menos densas de lo esperado, con enlaces entre átomos cuya longitud no está fija. El estudio mediante supercomputadores de las propiedades físicas de materiales a altas presiones es uno de los objetivos del proyecto europeo NANOQUANTA financiado por el sexto programa marco en el que se enmarca este trabajo de Artem R. Oganov et al., “Exotic behavior and crystal structures of calcium under pressure,” PNAS 107: 7646-7651, April 27, 2010 [versión gratis, información suplementaria].

El problema de la materia oscura requiere físicos teóricos geniales desbordantes de imaginación

Todo apunta a que 2010 será recordado como el año de la materia oscura. Hay muchísimos experimentos en marcha y muchos de ellos han encontrado señales que apuntan a la materia oscura. Sin embargo, parece como si cada experimento fuera imcompatible con el resto, como si los físicos teóricos tuvieran que explicar la materia oscura más esquizoide imaginable. Por ejemplo, el experimento DAMA observó lo que parece el efecto del flujo de la materia oscura conforme la Tierra se mueve alrededor del Sol. El experimento CoGent recientemente lo confirmó. Otros experimentos no han observado dicho efecto, como CRESST, datos sin publicar de hace sólo unas semanas. Unos experimentos apuntan a partículas de materia oscura pesada, del orden de 100 GeV, y otros a materia oscura ligera, de 5-10 GeV. Un sinsentido… un grano de sal en el ojo de los físicos…

Todo apunta a que todos los experimentos están observando lo que tienen que observar, pero la materia oscura es mucho más sutil de lo que los físicos teóricos podían imaginar hace sólo un año. Necesitamos físicos teóricos desbordantes de imaginación, capaces de imaginar lo inimaginable. Todo apunta a que en un par de años sabremos muchísimo sobre el 23% del universo. Habrá que estar atentos.

Conferencia TED de Stephen Wolfram sobre autómatas celulares y computación

Hoy, Stephen Wolfram ha impartido una conferencia sobe la calculabilidad del universo y sobre sus “hijos” computacionales. Nos habla de “A New Kind of Science,” Wolfram Alpha (pone un ejemplo con “spain gdp / revenue microsoft” que causa risas entre la audiencia), Mathematica, y acaba con algo sobre física y calculabilidad del universo. Todavía no hay subtítulos en español en la página de TED, supongo que en un par de días los habrá.

Computación masivamente paralela con autómatas celulares implementados mediante moléculas orgánicas

Stephen Wolfram en su libro “A New Kind of Science,” nos quiso convencer a todos de que el cerebro y muchos sistemas físicos y biológicos funcionan como un autómata celular (famosos desde que John Conway inventó el juego de la vida). Quizás por ello, la noticia de que un autómata celular ha sido implementado físicamente mediante un “tejido” de moléculas orgánicas (heterociclos de diclorodicianobenzoquinona (DDQ), una molécula hexagonal compuesta de nitrógeno, oxígeno, cloro y carbono, como muestra la figura de la izquierda) ha saltado a los medios como ”Producen las primeras neuronas artificiales,” Europa Press, Publico.com, 26 abril 2010 [visto en la portada de Menéame], titular de Público más impactante que el original de EP “Producen el primer circuito de procesamiento evolutivo,” 26 abril 2010, que a su vez afirma basarse en “Brain-Like Computing on an Organic Molecular Layer,” ScienceDaily, Apr. 26, 2010, quienes han construido su noticia a partir de Marcia Goodrich, “Lessons from the Brain: Toward an Intelligent Molecular Computer,” Michigan University Tech News, April 26, 2010, quien ya lo publicó en “Brain-like computing on an organic molecular layer. Toward intelligent and creative computers,” EurekAlert!, 25 April, 2010. Obviamente, muchas otras fuentes se han hecho eco de esta noticia, como Kir Ortiz, “Primeras neuronas digitales,” NeoTeo, 27 de abril de 2010.

Antes de nada, el artículo técnico es Anirban Bandyopadhyay, Ranjit Pati, Satyajit Sahu, Ferdinand Peper, Daisuke Fujita, “Massively parallel computing on an organic molecular layer,” Nature Physics, Published online: 25 April 2010. Incluye como información suplementaria unos vídeos que dejan muy claro el contenido técnico del artículo: cómo han implementado los algoritmos y cómo funcionan estos. Básicamente los investigadores han implementado un autómata celular con una capa de moléculas de DDQ que han depuesto epitaxialmente sobre un substrato de oro (111). Los estados de este sistema los han controlado mediante un microscopio de efecto túnel.

Las moléculas orgánicas de DDQ se caracterizan por cuatro estados energéticos (0, 1, 2 y 3) que representan diferentes rotaciones de cada molécula. Estos estados pueden ser utilizados para representar información. Además, la influencia de una molécula sobre las moléculas que tiene alrededor depende de su rotación, con lo que controlando estos estados se puede influir en el entorno y lograr realizar operaciones de control que permiten implementar algoritmos de tipo autómata celular en este sistema físico. El proceso es muy lento y delicado ya que estas transiciones se logran excitando algunas moléculas mediante una diferencia de potencial que se aplica utilizando la punta de un microscopio de efecto túnel (que también ha sido utilizado para medir el estado del autómata celular). A la derecha tenéis la implementación de una puerta lógica Y (AND), A*B=C, donde se muestra la tabla de verdad y dos estados concretos, el estado inicial A=1, B=1 y C=0 (arriba, derecha) y el estado final A=1, B=1 y C=1 (abajo, derecha).

El siguiente vídeo ilustra la formación de la bicapa de moléculas de DDQ sobre el substrato de oro y nos da una idea muy clara de cómo se ha implementado el automáta celular desarrollado en este estudio. Aplicando potenciales eléctricos se excitan los estados de las moléculas de DDQ con lo que los enlaces entre una molécula y las moléculas de su alrededor cambian (las moléculas rotan). Un uso inteligente de estos efectos ha hecho posible implementar cambios de estado que se propagan por la capa de DDQ imitando el funcionamiento de un autómata celular. 

Los algoritmos se implementan en autómatas celulares gracias a un conjunto de reglas. Los investigadores han sido capaces de implementar hasta 6 reglas de interacción local entre moléculas. Cada molécula está rodeada de 8 moléculas y tiene 4 estados posibles. Ciertos cambios de su estado afectan a las moléculas vecinas, dependiendo del estado en que se encuentren. Gracias a estos cambios se implementan las 6 reglas (son las únicas que han sido capaces de implementar de forma controlada, no es nada fácil logralo). El siguiente vídeo ilustra las 6 reglas y cómo se ejecutan físicamente para resolver el problema de cálculo de diagramas de Voronoi (ver ejemplos al final del vídeo).

Simular la solución de un problema de difusión no lineal con autómatas celulares es relativamente sencillo, por eso los autores han utilizado este ejemplo, ya clásico, para ilustrar su implementación física. Quizás es más vistosa la aplicación al crecimiento de tumores, básicamente un proceso controlado por la difusión no lineal (en los modelos más sencillos) y por tanto también fácilmente implementable. La gran ventaja teórica de la implementación desarrollada en este artículo es que cada molécula tiene sólo unos nanómetros cuadrados de área, con lo que este sistema es masivamente paralelo. La gran desventaja, como es obvio, es que controlar molécula a molécula un sistema no es trivial, ni eficiente, … aunque tiempo al tiempo. 

Solitones en aguas someras y la ecuación de Kadomtsev-Petviashvili

Cuando decidí iniciar la aventura de este blog me impuse el buen propósito de no hablar en este blog de los temas en los que investigo de forma profesional. No quería aburrir a los potenciales lectores con innumerables detalles técnicos que no puedo quitarme de la cabeza y que sólo tienen interés para los pocos que nos dedicamos a estas cuestiones. Aún así, de vez en cuando se me ve el plumero.

En el año 2000 propuse como proyecto de investigación el estudio numérico y analítico del zoo de soluciones de la ecuación de Kadomtsev-Petviashvili (KP), con énfasis en las interacciones de múltiples solitones línea, como las que veis en la figura que abre esta entrada. En lugar de considerar su aplicación en el contexto de ondas en aguas someras, como en las fotos de arriba, mi interés se centraba entonces en matrices de líneas de transmisión no lineales. Intuía que la ecuación KP iba a ser ampliamente estudiada durante la primera década del s. XXI. Me ha alegrado ver hoy un artículo de revisión sobre este tema (el zoo de la KP) del genial Yuji Kodama, “KP solitons in shallow water,” ArXiv, 26 Apr 2010 (50 páginas de matemáticas profusamente ilustradas).

La ecuación KP es una ecuación en derivadas parciales en 2+1 dimensiones que es integrable, es decir, se puede escribir la solución más general posible de su problema de valores iniciales o problema de Cauchy. Es una de las pocas ecuaciones en 2+1 dimensiones que se sabe que es integrable. Su solución general tiene dos partes separadas, una de ellas representa un conjunto de solitones y se escribe mediante el determinate de una matriz, la otra representa términos de radiación de pequeña amplitud y se escribe como una integral de Fourier. El artículo de Kodama revisa una técnica diagramática para representar el primer término, las soluciones multisolitónicas utilizando grafos (Kodama les llama diagramas cordales). Estos grafos recuerdan a los diagramas de Feynman y ayudan a la construcción matemática de estas soluciones, así como a la intepretación de sus propiedades. La figura de la izquierda os muestra la representación diagramática de una solución con un único solitón línea. Kodama presenta las reglas de construcción de los diagramas que representan soluciones con múltiples solitones línea.

Abajo tenéis la representación de una solución en la que tres solitones línea colisionan y colapsan para formar un único solitón línea. Con un poco de imaginación podéis ver la película de los hechos. Se ve claro que el solitón línea [1,2] se mueve hacia la izquierda y arriba. Los solitones [1,4] y [3,4] también se mueven hacia la izquierda. Sólo el solitón [2,3] se mueve hacia la derecha. Por eso la solución se denomina 3+1. En t=-8 y t=8 se obervan dos interacciones dobles y en t=0 hay una interacción cuádruple. Hay muchas maneras de imaginarse esta solución. Por ejemplo, los solitones [1,2], [1,4] y [3,4] representan una interacción (vértice) triple que se mueve hacia la izquierda mientras interactúa con un solitón [2,3] que se mueve hacia la derecha. En t=-8 dicho solitón interactúa sólo con el brazo izquierdo y en t=8 sólo con el derecho, en ambos casos introduciendo un desfase que produce un ángulo respecto al vértice triple. No sé si me explico bien… Este tipo de interacción se llama interacción 3+1.

Se pueden representar todo tipo de interacciones múltiples entre solitones línea. Por ejemplo, aquí abajo tenéis la interacción entre 6 solitones líneas, interacción 3+3 (entre dos vértices triples). En este caso hay que tener mucha más imaginación para ver la película de la interacción a partir de tres fotogramas solamente, dada la multiplicidad de interacciones intermedias entre los solitones que muestran las imágenes. La ventaja de la formulación matemática (en este caso del diagrama cordal) es que permite entender fácilmente este tipo de interacciones múltiples entre solitones que aparentan gran complejidad.

Los diagramas cordales (como pasa con los diagramas de Feynman) permiten clasificar todas las posibles soluciones con solitones línea en interacción. Podemos entender las estructuras básicas con las que se forman todas las interacciones posibles, como la soluciones patrón en X o en T (no entraré en detalles). ¿Todas estas soluciones son estables y robustas? El análisis matemático formal de estas soluciones a partir de los diagramas cordales factibles no garantiza la estabilidad y robustez de dichas configuraciones. Este es un punto que no se debe olvidar nunca, todas estas soluciones teóricas posibles no son estables. Las soluciones que no son establse no pueden darse en la Naturaleza. El estudio analítico de la estabilidad de las soluciones generales está fuera de lo que permiten nuestro conocimiento actual. Incluso de soluciones con tres solitones en interacción es muy difícil. Por ello, lo habitual, como hace Kodama en su artículo de revisión, se recurre a presentar simulaciones numéricas que confirman la estabilidad y robustez. Kodama nos presenta este estudio sólo para alguna de las soluciones patrón que ha obtenido.

Las soluciones estables con múltiples solitones líneas en interacción se han observado en la Naturaleza (como muestran las fotos de Mark Ablowitz que abren esta entrada), sin embargo, la utilidad real de un modelo matemático se demuestra cuando se replican estas observaciones experimentalmente en un laboratorio. Mi interés personal en el año 2000 por las matrices de líneas de transmisión no lineales llevaba implícito el hecho de que realizar medidas eléctricas en  un circuito es mucho más fácil que medir ondas en la superficie, pongamos, de un tanque de agua. Yo pensaba que podría reproducir y estudiar las interacciones de múltiples solitones línea con facilidad. Al final, mi proyecto de investigación se quedó en eso, en un proyecto. Sin financiación la investigación es difícil y al final me quedé con lo fácil, unas simulaciones numéricas por ordenador que siempre dejan el mal sabor de boca de ¿y si en la Naturaleza no se observa lo que uno simula en el ordenador?

Por ello, me ha dejado un buen sabor de boca el artículo de Kodama que acaba mencionando su trabajo reciente en colaboración con un físico experimental, Harry Yeh (en concreto, Harry Yeh, Wenwen Li, Yuji Kodama, “Mach reflection and KP solitons in shallow water,” ArXiv, 2 Apr 2010). Utilizando una nueva técnica para la medida de las ondas en la superficie de un tanque de agua mediante un láser, llamada fluorescencia inducida por láser (LIF), han logrado reproducir experimentalmente las soluciones de la ecuación KP con una precisión alucinante. La figura de abajo muestra un resultado de su trabajo. Las tres figuras de arriba son resultados experimentales y las tres figuras de abajo son resultados numéricos. Los solitones líneas en estas figuras se mueven hacia la izquierda. Aunque los resultados experimentales muestran cierta dispersión, el modelo teórico da cuenta de los mismos con una exactitud sorprendente. ¡Alucinante!

La mayoría de los lectores de este blog pensarán que chochea la Mula Francis con estos desvaríos. ¿Alucinantes? Bueno, es lo que pasa cuando uno habla de temas relacionados con su propio trabajo… por cierto, ya hace unos años que no estudio numéricamente la ecuación KP, ahora me dedico a otras ecuaciones y otros tipos de solitones. La vida da muchas vueltas… y yo he disfrutado mucho con el trabajo de Kodama, a quien sigo admirando no sin cierta devoción.

Publicado en Nature: Jugar mucho a “brain training” sólo mejora nuestra habilidad para jugar a “brain training”

La correlación más fuerte observada entre entrenamiento y una habilidad (razonamiento lógico) correlacionada con la inteligencia general o índice g. Como se observa la correlación es prácticamente nula. (C) Nature

“Brain training” es una industria que genera beneficios multimillonarios a costa de hacer creer a los consumidores que jugar a la dichosa maquinita mejora sus habilidades cognitivas. No hay evidencia científica fiable sobre ello. El último estudio, publicado en Nature, con 11 430 participantes seleccionados a través de un programa de la BBC muestra sin lugar a dudas que, en adultos, “brain training” no mejora las habilidades cognitivas, sólo mejora las habilidades cognitivas para jugar a “brain training.” Ni siquiera mejora las habilidades cognitivas para tareas relacionadas, pero no iguales, a los juegos que incluye. ¿Sólo en adultos? El estudio no ha incluido a niños, pero me parece que no hay que ser muy listo para extrapolar los resultados también a ellos. En español os recomiendo el artículo de Emilio de Benito, “Los juegos de entrenamiento mental no aumentan la inteligencia. Un estudio hecho con 11.000 personas sanas en Reino Unido demuestra que sirven para entretenerse, pero nada más,” El País, 20/04/2010 [visto en Menéame]. El artículo técnico, a día de hoy todavía con el “near-final version,” es Adrian M. Owen et al., “Putting brain training to the test,”  Nature, advance online publication 20 April 2010.

El telescopio espacial Hubble, la nebulosa planetaria Mz3 y el posible final de nuestro sistema solar

El 24 de abril de 1990 la NASA lanzó el telescopio espacial Hubble. Con un coste inicial de construcción de 400 millones de dólares, acabó constando unos 2500 millones de dólares. Ha necesitado múltiples reparaciones por parte de los astronautas a bordo de los transbordadores espaciales, con lo que se estima que su coste total, hoy, debe superar los 4500 millones de dólares, quizás aproximándose a los 6000 millones de dólares. Mucho dinero, pero muy bien invertido. La NASA necesitaba una buena imagen y las imágenes de Hubble fueron el vehículo ideal para recordar a los contribuyentes que su dinero invertido en la NASA está bien invertido. La iniciativa mediática de la NASA de liberar gratis las fotos de Hubble en una página web (creo recordar que desde 2000) ha sido todo un acierto. Acierto que todos agradecemos.

La imagen que abre esta entrada, la nebulosa planetaria Mz3 nos muestra la explosión de una estrella similar al Sol al final de su vida. Cada nebulosa planetaria es completamente diferente. La razón según los astrónomos es que influyen mucho los detalles del entorno de la estrella, es decir, si es un sistema binario, si tiene planetas gigantes gaseosos, etc. En el caso de Mz3 se cree que la explosión en lugar de ser esférica, es como una esfera partida por la mitad, de ahí los dos lóbulos que muestra la imagen de Hubble. ¿Por qué? Se cree que se trata de un sistema binario, con una pequeña estrella que acompaña al sol principal. Dicha pequeña estrella (aún no observada, quizás la explosión la destruyó) podría muy bien ser un planeta gigante gaseoso, como Júpiter. En dicho caso, Mz3 nos muestra el posible final de nuestro sistema solar. Los dos vídeos siguientes de youtube os muestran la “película de los hechos.”

Más vídeos y más información.

Espectacular máquina de Turing implementada mecánicamente, verlo para creerlo

Mike Davey ha construido una máquina de Turing que lleva la analogía ideada por Turing de una cinta sobre la que se escriben y borran unos y ceros hasta su extremo. La cinta tiene  Realmente espectacular para los que han estudiado informática, como muchos lectores de este blog. Visto aquí, decidí buscar en Menéame y también la encontré, aunque me sorprende que pasara completamente desapercibida.

Por cierto, es el proyecto fin de carrera ideal para una pareja de informático e ingeniero industrial. ¿Alguien se anima a emular a Mike?

El encanto del mesón J/Psi y la belleza del primer mesón B observados en el detector LHCb del CERN

MiGUi nos recordaba en el “El encanto del mesón J/Psi,” migui, Ciencia y Cultura, 18 Abr. 2010, la historia de Gell-Mann y su vía óctuple, y el descubrimiento del mesón J/Psi simultáneamente en el SLAC (Richter) y en el BNL (Ting) en 1974, de ahí los dos nombres para esta partícula, que confirmó definitivamente el modelo de los quarks. ”El mesón J/Psi tiene una masa de 3097 MeV/c² y está hecho de un quark encanto y un antiquark encanto, el cuarto sabor de los quarks conjeturado en“ 1970 por Glashow, Iliopoulos y Maiani. “En 1976 Richter y Ting compartieron el Nobel de física por el descubrimiento.” Si no lo conoces te recomiendo su artículo, traducción libre de Stefan and Bee, “The J/Psi Resonance,” Backreaction, December 8, 2007.

Lo único que le he echado en falta al artículo de MiGUi es la figura que abre esta entrada, la primera reconstrucción en el detector LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) en el LHC del CERN de la partícula J/Psi con colisiones a √s = 7 TeV (obtenida el 10 de abril de 2010). En el LHCb se ha calculado una masa 3092’7 ± 2’4 MeV/c², un valor muy bueno comparado con el mejor calculado por el Particle Data Group, 3096’916 ± 0’011 MeV/c². Esta reconstrucción se ha obtenido gracias al estudio de la masa invariante para pares de muones μ⁺ y μ^– observadas en la desintegración de mesones B⁺ cuya masa en reposo es de 5’32 GeV/c². Esta partícula tiene una masa 5’5 mayor que la masa del protón, pero 650 veces más pequeña que la energía de los protones que colisionan en el LHC, lo que nos recuerda que en el LHC las partículas de materia se crean a partir de la energía gracias a la famosa fórmula de Einstein E=m c². Nos lo han contado en “First reconstructed Beauty Particle,” Current News, LHCb, 21 April 2010.

LHCb es el detector del LHC especializado en el estudio de las partículas con “belleza” (con un quark b, bottom o belleza). La primera partícula “bella” que el LHCb ha sido capaz de observar ha sido el mesón B⁺ formado por un quark u (arriba) y un antiquark b (belleza). Esta partícula tiene una vida media de 1’5 picosegundos y se observó por primera vez el 5 de abril de 2010 tras la observación de 10 millones de colisiones protón-protón. El mesón B⁺ se desintegró en dos partículas tras recorrer solamente 2 mm. (milímetros). Se desintegró en un par de mesones J/ψ y K⁺. La primera de estas partículas se desintegró inmediatamente en dos partículas de larga vida, un par de muones μ⁺ y μ^– que junto con la partícula K⁺ atravesaron los detectores, dejando una trayectoria de señales a la espera de su reconstrucción por parte de los físicos. La reconstrucción de sus trayectorias se obtuvo con gran precisión como se muestra en la figura de arriba. Lo que los detectores observaron es lo que se ve aquí abajo. Como no, el LHC está reconstruyendo el Modelo Estándar paso a paso, partícula a partícula. Todos los físicos de los experimentos del LHC estén realizando a la perfección sus deberes.Esta reconstrucción del Modelo Estándar es una gran labor necesaria para que dentro de unos meses se pueda empezar a buscar nueva física más allá del Modelo Estándar. Esta labor no será noticia dentro de unos meses. Nadie se acordará entonces del gran trabajo que están realizando estos físicos ahora. Por eso creo que es ahora cuando nos debemos alegrar de esta gran labor que, en mi opinión, merece todos nuestros titulares. Enhorabuena, compañer@s. 

Por cierto, acabo de ver en Menéame que esta noticia del LHCb ya fue meneada y llegó a portada. Se me adelantó Christian Leal, “Colisionador de Hadrones crea su primera partícula de antimateria y confirma teoría de Einstein,” Bio-Bio, la radio, 23 Abril 2010. No importa, mi entrada es un guiño a MiGUi.

La capacidad del LHC a 7 TeV para descubrir la supersimetría durante los próximos dos años

Algunos lectores de este blog opinan que soy muy pesimista en cuanto a las posibilidades de que el LHC del CERN descubra algo interesante en los próximos dos años. Los pesimistas también tenemos algo de optimismo. Por eso me hago eco de un artículo de Baer et al. que estudia cuál es la capacidad del LHC a √s=7 TeV, sea LHC7, para descubrir la supersimetría con una luminosidad integrada de sólo 1 fb^-1 (la que alcanzará el LHC en los próximos dos años). En un artículo anterior ya lo hicieron para √s=10 TeV, sea LHC10, y la capacidad del LHC a √s=14 TeV, sea LHC14, es bien conocida. La figura de arriba es el resultado más importante de su artículo, obtenida con simulaciones de Montecarlo para el modelo minimal supersimétrico (MSSM). Resumiendo mucho, la figura nos indica que el LHC7 en los próximos dos años podrá producir gluinos con una masa hasta 1’1 TeV,  si la masa de los squarks es similar a la de los gluinos, y hasta 650  GeV, si los squarks tienen una masa mucho mayor que los gluinos. Recordemos que los gluinos y los squarks son las partículas supercompañeras de los gluones y los quarks, respectivamente. No está nada mal, teniendo en cuenta que en el peor caso, cuando el LHC14 haya alcanzado una luminosidad integrada de 100 fb^-1, será capaz de descartar (o ya habrá encontrado) gluinos con una masa hasta 3’1 TeV, si la masa de los squarks es similar a la de los gluinos, y hasta 1’8  TeV, si los squarks tienen una masa mucho mayor que los gluinos. Una luminosidad integrada de 100 fb^-1 será la que esperamos que haya alcanzado el LHC14 cuando esté a punto de ser clausurado, obviamente, si la masa de los gluinos o squarks es mucho menor, el LHC14 descubrirá estas superpartículas con una luminosidad integrada mucho más baja. Nos lo cuentan Howard Baer, Vernon Barger, Andre Lessa, Xerxes Tata, “Capability of LHC to discover supersymmetry with \sqrt{s}=7 TeV and 1 fb^{-1},” ArXiv, Submitted on 20 Apr 2010.

La supersimetría es una teoría que introduce decenas (casi cientos) de parámetros nuevos en el Modelo Estándar, por lo que estudiar todos los posibles modelos supersimétricos es prácticamente imposible. Normalmente se toman cinco parámetros como conjunto mínimo para todos los estudios sobre la posibilidad de descubrir la supersimetría en aceleradores de partículas como el Tevatrón y el LHC. Observa la figura que abre esta entrada. El parámetro m₀, eje de abcisas en la figura, es la masa de la partícula (bosón) escalar supersimétrica menos masiva (sin tener en cuenta los higgsinos); m_1/2, eje de ordenadas a la izquierda en la figura, es la masa del fermión supersimétrico (gaugino) menos masivo, normalmente tomado como la masa del gluino, m_‾g, eje de ordenadas a la derecha en la figura; A₀=0, tan β=45, y μ>0, en lo alto de la figura, son valores asociados a los campos de Higgs que median la ruptura de la supersimetría, para los que se han tomado valores típicos y razonables en un modelo minimal supersimétrico; finalmente, m_t, es la masa del quark top, la partícula más masiva del modelo estándar. En la figura, los valores de 111 GeV y 114 GeV corresponden a la masa del bosón de Higgs, y las líneas discontinuas marcadas 500 GeV, 600 GeV, etc. corresponden a las masas del gluino. La figura es muy densa (el artículo presenta dos figuras más similares a ésta, que omito aquí por brevedad) por lo que explicarla en detalle va más lejos de lo que pretendo con esta entrada. Lo que me gustaría destacar es que en esta figura se ha supuesto que los detectores de ATLAS y CMS del LHC funcionarán a la perfección, como se ha observado en diciembre pasado que así ocurría en colisiones a √s=0’9 TeV y √s=2’36 TeV.

Seamos optimistas y consideremos el mejor caso. En diciembre de 2010 el LHC7 podría haber observado un gluino con una masa de 480 GeV y en primavera de 2011 uno con una masa de 540 GeV. Incluso, si el gluino tuviera una masa de 700 GeV, a finales de 2011 tendríamos evidencia suficiente de su posible existencia como para que durante 2012 el LHC no fuera parado temporalmente y siguiera con sus colisiones a √s=7 TeV hasta obtener a finales de 2012 confirmación de su existencia.

Por cierto, los autores del artículo centran su estudio en las posibilidades de encontrar los gluinos y los squarks, por qué no consideran las posibilidades de encontrar candidatos a materia oscura, partículas WIMP como el neutralino (partícula mezcla de las supercompañeras del bosón Z (zino), el fotón (fotino) y el bosón de Higgs (higgsino), ya que todas tienen los mismos números cuánticos). La razón es sencilla, estas partículas serán prácticamente imposibles de detectar directamente en el LHC ya que no interactúan con los detectores. Su detección será indirecta, igual que la de los neutrinos, por la energía (transversal) perdida en ciertas colisiones (MEt por missing transverse energy). La diferencia entre un neutrino y un neutralino es que este último no interactúa mediante la fuerza electrodébil por lo que la pérdida de energía no vendría acompañada de bosones vectoriales. La observación de un neutralino requiere valores de MEt mayores de 100 GeV. El descubrimiento de candidatos a materia oscura sería un gran logro para el LHC pero no sería una demostración de la supersimetría que sólo será descubierta definitivamente mediante observación directa de las superpartículas que predice. Más sobre la búsqueda de materia oscura en colisionadores de partículas en T. Dorigo, “Dark Matter searches at colliders – part I,” A Quantum Diaries Survivor, April 23, 2008, y “Dark Matter Searches at Colliders – part II,” AQDS, April 28, 2008 (de esta última he extraído la figura del zoo de superpartículas). En otra ocasión hablaremos en este blog del LHC y la materia oscura.

Mucho optimismo hay en mis palabras hoy y en las conclusiones del artículo de Baer et al., pero con un sol primaveral entrando por la ventana uno tiende a ser optimista y a preferir pasear por un parque a escribir entradas en su blog.