Publicado en Nature: El IPCC se retracta, los glaciares del Himalaya no desaparecerán en 2035

Enciendes la televisión, sale el telediario de Intereconomía y comenta esta noticia. Curioso, aunque no tanto, se ha publicado en Nature. Los informes del IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) los redactan un gran número de científicos que siguen un protocolo muy estricto. Los redactores de los informes pueden utilizar resultados publicados en congresos internacionales, revistas no impactadas y otras fuentes sin revisores o con una revisión por pares laxa, actuando ellos mismos de revisores. Ellos son expertos, luego pueden hacerlo sin problemas. Lo que pasa es que, a veces, igual que a las revistas con revisión por pares estricta, se la cuelan o se les cuela. El informe del IPCC de 2007 estimaba que los glaciares del Himalaya desaparecerían alrededor del año 2035, todo el hielo se descongelaría al menos una vez al año en unos 25 años. Exagerado, obviamente. Pero así son los informes técnicos que se basan en estimaciones de modelos predictivos por simulación. Los expertos siempre los cogen con alfileres. El problema es que ahora todo el mundo mira con lupa al IPCC y se ha descubierto que la fuente de dichos datos, un informe publicado en 2005 por un glaciólogo indio, no es fiable. El Dr. Syed Iqbal Hasnain fue entrevistado por la revista New Scientist y afirmó que sus conclusiones eran “especulativas,” que partían de un informe anterior, de 1999, del Working Group on Himalayan Glaciology, del International Commission on Snow and Ice. Que ni el mismo se creía los resultados de dicho informe, aunque los reportaba en el suyo. Ahora parece que todos los expertos están de acuerdo. Los resultados indican que los glaciares del Himalaya no desaparecerán, al menos, durante el s. XXI. Seamos optimistas. Son buenas noticias. Al mal tiempo, buena cara. Nos lo cuentan Quirin Schiermeier, “Glacier estimate is on thin ice. IPCC may modify its Himalayan melting forecasts,” News, Nature 463: 276-277, 19 January 2010, y muchísimos otros medios, hasta en el telediario de Intereconomía y, como no, en Menéame. Por cierto, allí nos apuntan a Randeep Ramesh, “India ‘arrogant’ to deny global warming link to melting glaciers. IPCC chairman Rajendra Pachauri accuses Indian environment ministry of ‘arrogance’ for its report claiming there is no evidence that climate change has shrunk Himalayan glaciers,” The Guardian, Nov. 2009.

Para un físico de partículas elementales un protón es como una bolsa de basura

Tommaso Dorigo es un físico de partículas elementales que colabora con el experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab (EEUU) y con el experimento CMS del LHC del CERN (Europa). Es famoso por su blog “A Quantum Diaries Survivor,” en el que nos pone al día de los avances más interesantes en física de partículas elementales desde el punto de vista experimental y a veces también desde el punto de vista teórico. Su blog es el mejor que yo conozco sobre estos temas. Una de sus últimas entradas “Triggering – The Subtle Art Of Being Picky,” January 17th 2010, me ha llamado la atención y creo que su descripción de lo que es un protón para un físico de partículas elementales también llamará poderosamente la atención a los lectores de este mi blog.

Las colisiones de hadrones (protón-antiprotón en el Tevatrón y protón-protón en el LHC) son todo lo aburridas que uno pueda imaginar que algo aburrido pueda llegar a ser. Incluso si uno logra acelerar dos hadrones a energías altísimas, cuando uno los hace chocar entre sí es muy difícil que se produzcan colisiones realmente energéticas entre sus constituyentes. La mayoría de la energía se la llevan el resto de los constituyentes de estas partículas, que no colisionan de ninguna manera.

Pongamos el caso del LHC del CERN. Los protones son como bolsas de basura. En la colisión de dos protones, lo normal es que uno atraviese al otro sin que pase absolutamente nada. Los protones prácticamente están vacíos. Sus constituyentes, quarks y gluones, también llamados partones, sí son objetos “duros” y raras veces en las colisiones entre protones se observa que dos partones colisionen (y, por supuesto, cuando lo hacen, lo hacen con una energía muy inferior a la que tenían los protones). En estas raras ocasiones es como si una lata de cerveza de una bolsa de basura colisionara con una botella de ginebra de la otra. Sólo entonces se observa una colisión en los detectores de partículas. Los diferentes trozos de cristal de la botella vuelan en ciertas direcciones y los físicos de partículas se dedican a tratar de reconstruir gracias a sus detectores cual es la marca de ginebra que más le gusta al dueño de la bolsa de basura.

Protons are like bags of junk, and they are capable of flying one through the other without much happening. The quarks and gluons they contain are “hard” objects instead: it occasionally happens that a tin can inside one bag comes in a collision course with a bottle of gin contained in the other bag, and then -only then- an interesting collision takes place. Glass bits will fly away in specific directions, and we will learn something about the brands that the owner of the bag likes to drink.” Tommaso Dorigo.

Lo peor de todo es que incluso cuando se observan colisiones entre partones, la mayoría no tienen ningún interés científico. Se comportan como cabría esperar según la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría de los quarks y de los gluones. Una teoría que ha sido estudiada experimentalmente en los últimos 30 años y que no ofrece nada interesante a los físicos de partículas de la actualidad. De hecho, los sistemas de análisis automático de los resultados de los detectores están preparados para detectar dichas colisiones y descartarlas como colisiones que no tienen ningún tipo de interés (los datos de dichas colisiones ni siquiera son almacenados en disco). El LHC del CERN no se ha construido para que entendamos mejor los procesos debidos a la QCD.

El LHC del CERN se ha construido para estudiar los procesos relacionados con la ruptura de la simetría electrodébil y la posibilidad de física más allá del modelo estándar.  El problema es que los procesos electrodébiles son extremadamente raros, comparados con los procesos de la QCD, cuando se utilizan protones como proyectiles. Se estima que sólo una colisión en cada millón involucra un bosón electrodébil (W o Z). Para producir un solo bosón de Higgs es necesario estudiar más de 10 mil millones de colisiones de pares de protones.

Pero hay un problema añadido, los detectores del LHC del CERN no son 100% eficaces: es imposible que todos los bosones de Higgs que se produzcan sean observados. Por ejemplo, el experimento CMS del LHC será capaz de estudiar los bosones de Higgs que se desintegren en dos bosones Z y que posteriormente se desintegren en 4 muones (H -> ZZ -> 4 muones). Los detectores de muones tienen un eficacia del 90%, luego detectarán 4 muones simultáneamente sólo el 0,9^4=65% de las veces. Como un bosón de Higgs se desintegrará en un par de bosones Z un 20% de las veces (en el mejor caso), y un bosón Z se desintegra en un par de muones sólo un 3,3% de las veces, el resultado es que sólo el 0,65 x 0,2 x 0,033 x 0,033, alrededor del 0,0001 de las desintegraciones de bosones de Higgs en el LHC será detectada en el experimento CMS. Se necesitará producir más de 10.000 Higgs para detectar uno.

Haciendo números, para observar 1.000 bosones de Higgs y poder proclamar que dicha partícula ha sido definitivamente descubierta se requerirán 10 mil millones de desintegraciones en 4 muones, lo que requerirá 100 mil billones de colisiones de pares de protones en el LHC del CERN. En notación científica 10^17 colisiones. Tommaso nos recuerda magistralmente que 10^17 granos de arena son suficientes para cubrir varios cientos de kilómetros de costa. ¿Cuánto tiempo de colisiones continuas se requerirá en el LHC para alcanzar estos números? Tommaso nos asusta. En 7 años de colisiones, obviamente no todo el tiempo estará el LHC a pleno rendimiento, podemos estimar que habrá colisiones durantes unos 100 millones de segundos. Para recolectar 10^17 colisiones se necesitará adquirir, digitalizar y almacenar en disco duro los datos de unos 10^17/10^8= 10^9, o mil millones de colisiones por segundo. Algo prácticamente imposible, por lo que se han diseñado dispositivos capaces de detectar en tiempo real las colisiones interesantes y descartar el resto. Se estima que de cada 40 millones de colisiones por segundo, menos de 300 serán consideradas interesantes y serán almacenadas en disco para su análisis posterior. Una labor que ha requerido muchos años de trabajo de informáticos, ingenieros y científicos que hasta que la fase de pruebas de este año no se complete en su totalidad no se sabrá si logrará cumplir con todas las expectativas.

Los informáticos, ingenieros y demás científicos del CERN están preparados para lograrlo, y lo lograrán. ¡Alucinante!

Un sevillano, una cocina y un chorro líquido supersónico

Antonio Barrero Ripoll, investigador principal del grupo de de investigación en Mecánica de Fluidos de la Universidad de Sevilla es uno de los grandes especialistas españoles en física de fluidos, especialmente en micro y nanofluidos. José Manuel Gordillo Arias de Saavedra es uno de los miembros de su grupo de investigación, que lidera el proyecto de investigación “Mecanismos de generación de gotas, burbujas y espumas de tamaño micrométrico con aplicaciónes a procesos industriales,” en el que colaboran Detlef Lohse, de la Universid de Twente, Países Bajos, y su grupo, otro de los grandes investigadores europeos en micro y nanofluidos. José Manuel Gordillo, Detlef Lohse y sus colaboradores han publicado un interesante artículo en Physical Review Letters (PRL) donde demuestran que el impacto de un objeto pesado en la superficie de un líquido produce una cavidad de aire como estela del objeto que se conecta con el exterior a través de un estrecho cuello que colapsa y durante dicho colapso aparece un flujo del aire hacia el exterior que alcanza velocidades supersónicas. Como muestra la figura que abre esta entrada, se alcanzan números de Mach (Ma en la figura) superiores a la unidad (el número de Mach es el cociente entre la velocidad del aire que sale del cuello y la velocidad del sonido). Este experimento ya había sido realizado y estudiado por Worthington en 1897, pero entonces observó un flujo de aire a muy alta velocidad y nunca soñó que pudiera llegar a ser supersónico. Toda una sorpresa, sin lugar a dudas, ya que sorprende que se alcancen velocidades supersónicas en un experimento que puedes repetir fácilmente en tu cocina. Eso sí, para verificar que el flujo realmente es supersónico necesitarás cierto instrumental de laboratorio bastante avanzado.

El artículo técnico es Stephan Gekle, Ivo R. Peters, José Manuel Gordillo, Devaraj van der Meer, Detlef Lohse, “Supersonic Air Flow due to Solid-Liquid Impact,” Phys. Rev. Lett. 104: 024501, Published January 11, 2010 [ahora mismo el artículo es gratis, pero también puedes descargartelo en ArXiv, 29 Sep. 2009, y en la página web de Lohse). Se han hecho eco de este artículo muchísimos medios [hasta menéame]. La figura siguiente está extraída de Daniel P. Lathrop, “Making a supersonic jet in your kitchen,” Physics 3: 4, January 11, 2010 [enlace web], donde podréis disfrutar de un interesante vídeo. Los que de verdad quieran enterarse de qué va todo esto deberían recurrir al artículo Stephan Gekle, J. M. Gordillo, “Generation and Breakup of Worthington Jets After Cavity Collapse,” ArXiv, 29 Jul 2009 (enviado a J. Fluid Mech.), que además de la teoría, presenta resultados de simulaciones numéricas y está profusamente ilustrado con fotografías de este tipo de experimentos.

Como muestra la figura que abre esta entrada, el objeto al penetrar en la superficie del líquido un objeto con una velocidad de 1 m/s (3,6 km/hora) produce un cráter rodeado por una corona líquida con gotas en la superficie. El cráter se alarga conforme el objeto se hunde, formando un tubo que conecta el objeto con el exterior. Este tubo acaba cerrándose (colapsa). Justo en el momento en que este tubo colapsa (se cierra) se produce un chorro de aire supersónico que José Manuel y sus colaboradores han logrado medir con precisión. En la cavidad tras el objeto la presión es prácticamente la atmosférica (1,02 atm.). Tras el colapso completo del cuello se producen dos chorros de líquido, uno interior a la cavidad de aire en la estela del objeto que se hunde y otro hacia el exterior de la superficie del fluido. Estos chorros fueron descubiertos por Worthington a finales del s. XIX y por ello llevan su nombre.

¿Cómo han medido la velocidad del aire y han comprobado que es supersónica? Han utilizado partículas de humo que han iluminado con un láser (Larisis Magnum II, 1500mW) desde la parte de arriba (por donde entra el objeto) y han filmado el movimiento de las partículas de humo mediante una cámara de alta velocidad (Photron SA1.1) con la que han alcanzado 15.000 fotogramas por segundo. Gracias a la comparación entre fotogramas sucesivos han sido capaces de estimar con precisión la velocidad del aire. Las simulaciones numéricas permiten verificar que se han alcanzado velocidades supersónicas y son las que se han sido utilizadas para estimar la presión del aire dentro de la cavidad. Estas simulaciones se han realizado utilizando el método de elementos de contorno (Boundary Element Method). Un gran trabajo experimental, teórico y numérico, sin lugar a dudas.

El colapso del cuello y la geometría de la cavidad tras el objeto dependen fuertemente de la geometría (sección transversal) del objeto que colapsa. La belleza de este tipo de colapsos queda patente en el siguiente vídeo extraído de Oscar R. Enriquez, Ivo R. Peters, Stephan Gekle, Laura Schmidt, Michel Versluis, Devaraj van der Meer, Detlef Lohse, “Collapse of Non-Axisymmetric Cavities,” ArXiv, ArXiv, 14 Oct 2009. ¡Qué lo disfrutéis!