Endre Szemerédi ha ganado el Premio Abel 2012

Endre Szemerédi ha ganado el Premio Abel 2012 “por sus contribuciones a los fundamentos de la matemática discreta y la informática teórica, así como por sus profundas contribuciones en teoría aditiva de números y teoría ergódica.” Los detalles de la cita del premio y la charla de Tim Gowers sobre el trabajo de Endre aclaran los motivos del merecido Premio (la charla está disponible en vídeo). ¿Qué puedo decir? Poco, ya que ya se ha dicho casi todo. Recomiendo leer a ^DiAmOnD^, “Endre Szemerédi: una leyenda viva de las matemáticas,” Gaussianos, 21 marzo 2011, y “Endre Szemerédi, premio Abel 2012,” Gaussianos, 22 marzo 2012; Instituto de Ciencias Matemáticas, “Endre Szemerédi, Premio Abel 2012,” Madri+d, 21 marzo 2012; “Premio Abel 2012 para el matemático Endre Szemerédi, teórico de la computación,” SINC/ICMAT, 21 marzo 2012.

Diagrama de bloques de la demostración original del Teorema de Szemerédi (1975).

Endre Szemerédi es el digno sucesor de Paul Erdős, su mentor y descubridor en Budapest (le llamaban el “chico” (“Srac”) de Erdős); igual que él, nunca recibió la Medalla Fields. Su teorema más famoso, llamado teorema de Szemerédi (el artículo original), resolvió una  famosa conjetura de Erdős-Turán, demostrando que en todo conjunto de enteros infinito (suficientemente grande) existen progresiones aritméticas arbitrariamente largas. Una progresión aritmética es un conjunto de números de la forma n, n+m, n+2m, n+3m, etc. Por suficientemente grande se entiende que la densidad del conjunto de números sea positiva, es decir, que en todo subconjunto de números de tamaño N, el número de elementos menores o iguales que N crece linealmente con N y con una constante de proporcionalidad bien definida (en el límite cuando N tiende a infinito). Klaus Roth recibió la Medalla Fields en 1958 por demostrar este resultado para progresiones aritméticas de longitud 3 en 1952, pero su argumento no se podía extender a k>3. Endre Szemerédi consiguió demostrarlo para k=4 en 1967 y generalizarlo para todo k>3 en 1973 (apareció publicado en Acta Arithmetica en 1975). Szemerédi fue invitado a contar su demostración en el ICM (Congreso Internacional de Matemáticos) de 1974 en Vancouver, la única charla plenaria sobre teoría combinatoria. Hay que destacar que este resultado ha tenido importantes aplicaciones fuera de la teoría de números, en teoría ergódica.

Las contribuciones de Szemerédi a la matemática, en especial a la teoría combinatoria aplicada a grafos y algoritmos, son muy numerosas. Quizás hay que destacar el lema de regularidad de Szemerédi en teoría combinatoria extremal, que permite resolver muchos problemas de grafos que involucran grafos grandes. Este lema afirma que un grafo muy grande (con muchos vértices y muchas conexiones entre ellos) se parece bastante a un grafo del mismo tamaño, algo más pequeño, pero con conexiones aleatorias. Gracias a este lema, ciertas propiedades generales de los grafos aleatorios (expresadas en un lenguaje probabilístico) se pueden aplicar a casi cualquier grafo de gran tamaño. No entraré en más detalles.

Imre Bárány y József Solymosi escribían sobre Szemerédi en el libro “An Irregular Mind. Szemerédi is 70,”  Springer Verlag, 2010, que “su cerebro está conectado de manera diferente a la mayoría de los matemáticos; tiene una forma única de pensar, una visión extraordinaria capaz de ver más allá, de encontrar la estructura oculta en un resultado matemático, o de crear una estructura nueva completamente de la nada. Cuando trabaja con coautores, su insistencia en que dicha estructura va a funcionar es a menudo decisiva para obtener el resultado final.”

El cañón de vórtices, un experimento fácil de ejecutar y siempre espectacular

El cañón de vórtices es un experimento muy popular en las olimpiadas de ciencia en EE.UU. y este vídeo nos muestra que además es muy divertido. La primera vez que lo ví fue en Karen Bouffard, “The Vortex Cannon,” The Physics Teacher 38: 18,2000, donde se explicaba cómo fabricarlo. Se puede usar humo, para ver los vórtices toroidales, o incluso no usarlo y que parezca que actúa por efecto de la magia. Con un poco de práctica es fácil generar vórtices con suficiente energía para recorrer más de 10 metros de distancia y apagar velas, romper una torre de vasos de plástico (como en el vídeo), o incluso simular un fantasma de aire que acaricia la cara de una persona. La potencia del cañón de vórtices depende del volumen de aire de la cavidad que lo produce, por lo que se recomienda usar una gran caja de cartón (en la que se cortará un agujero circular de unos ~15 cm de diámetro). Más información en Elisha Huggins, “Smoke Ring Physics,” The Physics Teacher 49: 488-491, November 2011. El vídeo lo he visto en Alvy, “El asombroso y original cañón de aire que dispara vórtices,” microsiervos, 22 marzo 2012.

Esta imagen muestra el campo magnético inducido por la corriente eléctrica que pasa por un hilo. Un vórtice en un fluido se produce cuando el campo de velocidad (v) del fluido tiene una distribución similar. La matemática de este problema fue introducida por Herman von Helmholtz en 1858, la llamada teoría de la línea vorticial (“vortex line theory”).  El campo de velocidad depende inversamente de la distancia a la línea central (1/r) y la constante de proporcionalidad se denomina circulación (κ), que corresponde a una integral de línea en una curva cerrada centrada en la línea central. Helmholtz fue capaz de derivar estas ecuaciones para un vórtice de fluido a partir de las leyes de Newton aplicadas al fluido.

El teorema de Helmholtz implica dos consecuencias. Por un lado, los vórtices no pueden nacer o acabar en un fluido de densidad constante, es necesario que haya una superficie (en el caso de la caja es la pared); en el caso de un tornado estas superficies son el suelo y las nubes. Y por otro lado, Helmholtz descubrió que la generación de los vórtices requiere una fuerza potencial (fuerzas de presión o fuerzas gravitatorias en el caso de un fluido); las fuerzas no potenciales (como la viscosidad) no pueden producir vórtices. Ambas propiedades permiten explicar la gran robustez de los vórtices y por qué son capaces de recorrer grandes distancias.

Este vídeo japonés muestra el cañón de vórtices con caja de cartón más grande del mundo… ¡Cosas de japoneses!

La colisión frontal de dos vórtices de diferente color también es muy espectacular, aunque es mejor verla uzando líquidos, como en este vídeo.

PS (26 mar. 2012): El maravilloso mundo de los solitones tipo vórtice y sus aplicaciones en la teoría de los quarks (vídeo IOP protagonizado por David Tong, Universidad de Cambdrige). Visto en Sean Carroll, “Baths and Quarks,” Cosmic Variance, March 26th, 2012 (vía TwitterJ.F.G.H./Х.Ф.Г.Э. ‏ @jfghlynx).

Taylor Wilson, el niño que quiso construir un reactor nuclear de fusión en su garaje

Taylor Wilson, con 14 años, decidió construir un reactor nuclear de fusión en su garaje, haciendo colisionar núcleos de deuterio. Ahora, con 17 años, nos lo cuenta en una charla TED de 3 minutos. Presentó su trabajo en una Feria de Ciencias organizada por Intel, fue visitado por el Presidente Barack Obama e invitado al CERN en Ginebra. No ha logrado la ignición, pero afirma que ha fabricado por cientos de dólares unos detectores de neutrones comparables a los que cuestan cientos de miles de dólares y que su reactor podría tener aplicaciones médicas. Visto en Andrew Zimmerman Jones, “This Kid Built a Nuclear Fusion Reactor,” About.com, March 23, 2012.

Taylor Wilson, con 10 años, ya se sabía todos los elementos de la tabla periódica, sus números atómicos, masas y puntos de fusión. Con 11 años su abuela le compró el libro de Ken Silverstein, “The Radioactive Boy Scout: The True Story of a Boy and His Backyard Nuclear Reactor,” Random House, 2004, que cuenta la historia de David Hahn, un adolescente de Michigan que intentó construir un reactor nuclear (de fisión) en el patio de su casa. Taylor decidió imitarle. A diferencia de David, sus padres decidieron apoyarle y no tuvo que trabajar en secreto; prepararía un trabajo para una feria de ciencias de su escuela. Así empezó la historia de su reactor… Si te interesa seguir leyéndola, disfrutarás con Tom Clynes, “The Boy Who Played With Fusion,” Popular Science, 14 feb. 2012.

PS: Perdón por mi falta ortográfica en el título, puse “garage” (voz francesa) en lugar de “garaje” (versión española de la voz francesa).

Jugando al límite con la segunda ley de la termodinámica

El calor es una fuente de energía (en las máquinas y motores térmicos) y estamos rodeados de fuentes de calor por doquier (por ejemplo, nuestro propio cuerpo). ¿Podríamos obtener “energía gratis” de un foco de calor? Las leyes de la termodinámica indican que es posible obtener energía útil si además del foco caliente tenemos un foco frío, pero lo de “gratis” es otra cosa. Muchos científicos “locos” (cranks en inglés) están tratando de esquivar estas leyes, pero la opinión generalizada es que es imposible (aquí sirve el famoso dicho, nada es gratis). Me ha sorprendido leer un par de artículos con nuevas ideas al respecto. Permíteme unos comentarios.

Parthiban Santhanam (MIT, EE.UU.) y sus colegas han publicado en la prestigiosa Physical Review Letters  un nuevo diodo emisor de luz (LED) que emite más energía luminosa de la energía eléctrica que consume; los autores afirman que su eficiencia es del 200% (sí, has leído bien, 200%). El dispositivo actúa como una bomba de calor óptica que transforma las vibraciones térmicas de la red cristalina del material en fotones infrarrojos, enfriando el entorno en el proceso. Este tipo de dispositivo fue predicho por el checo J. Tauc en 1957 y no viola las leyes de la termodinámica (aunque parezca lo contrario). Un dispositivo con un rendimiento experimental del 200% salido de un laboratorio del MIT da que pensar, aunque no cuestione la segunda ley de la termodinámica, según el propio Santhanam. Más información en “LED converts heat into light,” IOP physicsworld.com, Mar 8, 2012, y el artículo técnico es Parthiban Santhanam, Dodd Joseph Gray, Jr., and Rajeev J. Ram, “Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency,” Phys. Rev. Lett. 108, 097403 (2012).

Zihan Xu (Universidad Politécnica de Hong Kong) y sus colegas han enviado a publicación una batería que funciona sin interrupción a partir del calor ambiental, basada en una lámina de grafeno entre dos contactos metálicos (oro y plata) en una disolución de cloruro de cobre. Los autores afirman que el secreto es que los electrones en el grafeno se mueven mucho más rápido que los iones en la disolución. Según los autores no hay conversión de energía química en electricidad como en las baterías convencionales, sino que el dispositivo aprovecha la energía térmica del entorno. El problema es que la termodinámica exige un foco frío y el artículo no explica cuál es. Aún así, estos investigadores afirman que la batería ha estado 20 días funcionando sin parar. Me he enterado gracias a la traducción “¿Batería térmica de grafeno?,” NeoTeo, 21 de Marzo de 2012, del artículo “Graphene in new ‘battery’ breakthrough?,” IOP physicsworld.com, Mar 8, 2012. Por el formato del preprint tiene toda la pinta de que lo han enviado a la revista Nature o Nature Physics, ya veremos qué pasa con la revisión, que será dura y complicada para los autores; los interesados en el artículo técnico disfrutarán con Zihan Xu, Guoan Tai, Yungang Zhou, Fei Gao, Kin Hung Wong, “Self-Charged Graphene Battery Harvests Electricity from Thermal Energy of the Environment,” ArXiv: 1203.0161.

Un resumen del estado actual sobre la búsqueda del Higgs tras Moriond 2012

Cualquier revisión sobre el estado actual de la búsqueda del bosón de Higgs presenta cierto sesgo, ya que la búsqueda aún no ha concluido y muchos canales de búsqueda presentan una gran incertidumbre (pues se han analizado muy pocos datos). Todavía es muy pronto para afirmar que los datos recabados por el LHC en 2011 apuntan a un Higgs fermiófugo (fermiophobic Higgs), pero algunos autores ya han lanzado las campanas al vuelo (no sé por qué a mucha gente no le gusta que el Higgs que encuentre el LHC sea el predicho por el modelo estándar). Un ejemplo es Pier Paolo Giardino, Kristjan Kannike, Martti Raidal, Alessandro Strumia, “Reconstructing Higgs boson properties from the LHC and Tevatron data,” ArXiv: 1203.4254 (me he enterado gracias a Juan (J.F.G.H./Х.Ф.Г.Э. ‏ @jfghlynx) en Twitter).

Estos autores afirman que los datos observados en 2011 sobre el Higgs son compatibles con el predicho por el modelo estándar, pero presentan pequeñas anomalías que apuntan hacia un Higgs fermiófugo. En concreto, los datos del canal difotónico (la desintegración de un Higgs en un par de fotones) apuntan a una probabilidad doble (2,0 ± 0,5) de la predicha por el modelo estándar, pero no hay que olvidar que este canal corresponde solo al 0,2 % de todos las desintegraciones de un Higgs con una masa de unos 125 GeV/c². También aluden a que los datos de los canales WW y ZZ apuntan a una probabilidad mitad (0,5 ± 0,3) de la predicha por el modelo estándar; estos canales correspondan al 24% de todas las desintegraciones, pero son canales con una banda de error bastante grande. En mi opinión, todavía es muy pronto para apuntar a un Higgs diferente del predicho por el modelo estándar.

En la actualidad la conclusión es obvia: se necesitan más datos de colisiones en el LHC para saber si estas anomalías observadas en los datos de 2011 son meras fluctuaciones estadísticas o son algo más; en mi opinión se trata del primer caso (ya sabéis que con el tema del Higgs yo soy bastante conservador).

El “caso Lemus” destapado por El País salpica al CSIC

F. Sergio, J. Blas, G. Blanco, A. Tanferna, L. López, J. A. Lemus and F. Hiraldo, “Raptor Nest Decorations Are a Reliable Threat Against Conspecifics,” Science 331: 327-330, 21 January 2011. ¿Qué pasará con este artículo en Science? Tiene toda la pinta de haber sido obra de Sergio y Blas, y que Lemus (y los demás autores) solo han cedido su firma. La cuestión es, cómo se lo explicará el CSIC al editor de Science (cuando se entere).

Jesús A. Lemus and Guillermo Blanco, “Cellular and humoral immunodepression in vultures feeding upon medicated livestock carrion,” Proc. R. Soc. B 276: 2307-2313, June 22, 2009. Un artículo muy importante de Lemus que llegó a ser noticia de la semana en Science, “Antibiotics bad for vultures,” Science 323: 1651, 27 March 2009.

Matthias Vögeli, Jesús A. Lemus, David Serrano, Guillermo Blanco, and José L. Tella, “An island paradigm on the mainland: host population fragmentation impairs the community of avian pathogens,” Proc. R. Soc. B 278: 2668-2676, September 7, 2011.

Rafael Méndez, “El CSIC investiga si un científico de Doñana alteró estudios,” El País, 26 feb. 2012, nos informó que “Jefes y colegas denuncian a un veterinario al sospechar de miles de datos de virus en aves; el experto en patógenos defiende su trabajo, pero admite un problema de “falta de confianza.” Jesús Ángel Lemus Loarte, veterinario contratado en la Estación Biológica de Doñana (Sevilla), alteró o inventó datos en decenas de estudios durante años. Lemus fue denunciado por jefes y compañeros el pasado 23 de diciembre de 2011. El investigador ha firmado una veintena de estudios en revistas prestigiosas como Science o PLoS, por lo que la retirada de estos artículos sería un duro golpe para la ciencia española. Lemus defiende sus resultados, aunque afirma que desconoce la investigación en marcha.”

Rafael Méndez, “El CSIC sospecha que un científico falso firmó en seis de sus estudios,” El País, 13 mar. 2012, nos informó que “El Comité de Ética del CSIC busca un fantasma. Un fantasma con un buen currículo académico, con al menos seis publicaciones científicas en revistas internacionales. Firma como Javier Grande y ha figurado como investigador de dos institutos públicos, el Museo Nacional de Ciencias Naturales (MNCN) y el Instituto de Investigación en Recursos Cinegéticos (IREC). En los estudios aparece junto a Jesús Ángel Lemus Loarte, el científico investigado por un presunto fraude que consistiría en inventarse o alterar datos de patógenos y presencia de antibióticos en decenas de estudios. El problema es que Grande no aparece en ninguna base de datos del CSIC. Nunca ha estado contratado, según confirman en los dos centros.”

Rafael Méndez, “El investigador investigado inventó seis estudios en su currículo académico,” El País, 14 mar. 2012, nos informó que “El currículo de Jesús Ángel Lemus Loarte que hasta ayer aparecía en la página web del Museo Nacional de Ciencias Naturales, organismo público dependiente del CSIC, incluye una serie de estudios científicos inexistentes. Son publicaciones con nombres del tipo “Distocia y cesárea paradorsal en un caimán de anteojos”, pero cuando uno acude al número de la revista Journal of Zoo and Wildlife Medicine en el que debería aparecer lo que se encuentra es “Infección por Mycobacterium asiaticum en un tití de manos doradas (Sanguinus midas)”, realizado por investigadores de la Universidad de Florida. En 2006 Lemus, que trabaja en el CSIC con una beca de investigación, supuestamente publicó en el número 24 de la revista The Journal of Avian Medicine and Surgery el estudio “Estado de salud de paseriformes invernantes en libertad en un hábitat de montaña”. El problema es que el número 24 de esa revista es de 2010. Así hay otros cuatro más. Lemus negó por teléfono ser el responsable: “Ese currículo es del año de la polka (…) Ese currículo no lo he colgado yo porque yo no tengo acceso”. A estos seis artículos inexistentes hay que sumar los seis que firmó junto a un investigador fantasma.” Se trata del supuesto Javier Grande, quien supuestamente realizaba análisis de muestras para los estudios.”

Rafael Méndez, “El hombre que imaginaba la ciencia,” El País, 17 mar. 2012, nos informó que “Jesús Ángel Lemus Loarte “era muy inteligente, pero le gustaban el campo y los animales más que estudiar,” por ello tardó tanto en licenciarse. “Era listo y tenía mucha labia, pero nunca era claro. Siempre escondía algo.” En 2006 publicó su primer artículo científico junto a Guillermo Blanco y Javier Grande; el problema es que Javier Grande es, hasta hoy, un fantasma. Nadie le conoce. En 2010 defiende su tesis doctoral en el campo correcto, tras el caso de la gripe aviar, virus y bacterias en aves eran un foco creciente de preocupación para la salud pública; había dinero e interés. “Lemus era muy eficaz. Si les dabas muestras de aves para analizar patógenos o antibióticos siempre estaban a tiempo y lo mejor es que siempre había un resultado publicable.” Lemus sigue publicando y crece su currículo; publica en PLoS One y hasta en Science, nada que ver con las revistas de segunda fila en las que imaginaba publicar años antes. Le pidieron muestras para cotejar ciertos resultados, pero argumentó que “el tema no es de gran interes para una publicación científica;” los resultados “o eran errores de secuenciación o sería una cepa muy extraña.” Gente de su grupo de investigación propuso ceder muestras, pero Lemus se negó.”

Sus compañeros de Doñana ya no pudieron disimular sus sospechas y le tendieron una trampa. Le mandaron muestras de plasma duplicadas. Las que procedían de zonas infectadas iban etiquetadas como limpias y viceversa. Lemus cayó en la emboscada. Además, otros investigadores enviaron muestras de las cotorras al laboratorio de referencia del Gobierno y los resultados no aparecían. La empresa que supuestamente hacía análisis para Lemus afirmó que no habían analizado muestras para él. Otra fuente de los análisis (un tal Javier Grande) tampoco aparece, es un fantasma. “Grande era un tipo que analizaba las muestras. Yo tuve intercambios de correos con él.” El 23 de diciembre de 2011, la cúpula de la Estación Biológica de Doñana denunciaron el caso al Comité de Ética del CSIC, que aún sigue la investigación.”

“Lemus mantuvo una breve conversación con El País; mantiene que todo es “una cacería” contra su persona. Lemus, lo niega todo y amenaza con demandar a El País, admitió que en el CSIC “hay mucha presión por publicar.” Miguel Delibes, miembro del Comité de Ética del CSIC,  sigue el caso con tristeza y reflexiona sobre cómo puede llegar a ocurrir algo así: “La ciencia ha dejado de ser lo que era. Antes todos los autores eran responsables de un artículo, pero ahora se publican artículos con 30 autores que no se conocen más que por correo electrónico.” Explica que hay engaños muy difíciles de detectar. Delibes ya no acude a las reuniones del Comité de Ética del CSIC, desde hace un año, porque una revista retiró un artículo científico suyo por no citar la fuente de uno de los datos. Él ha pedido amparo a dicho comité y confía en terminar ganando el caso (aunque el artículo sigue retirado). El caso ha sembrado la inquietud en muchos científicos, que consideran que en plena ola de recortes lo último que necesita la ciencia en España es retirar una serie de estudios científicos.”

Sin palabras, todo esta mierda me deja sin palabras.

Técnicas ópticas para la transmisión de datos con un ancho de banda de decenas de Tbit/s (terabits por segundo)

Los que estudiamos hace muchos años la técnica de transmisión de datos por fibra óptica gracias al libro de Charles K. Kao no hemos dejado de sorprendernos por los avances logrados en las últimas décadas. La transmisión de datos con un ancho de banda de decenas Tbit/s (billones de bits por segundo) parecía imposible hace una década (igual que parecía imposible que Kao lograra el Premio Nobel de Física en 2009). Sin embargo, se ha logrado alcanzar este ancho de banda con todas las técnicas de transmisión óptica modernas, tanto WDM, como OFDM y TDM. El último récord de la técnica de transmisión WDM (multiplexado por división en la longitud de onda), del que yo tenga constancia, ha sido de 69 Tbit/s en una fibra especial con una longitud de 240 km; el sistema láser utilizado para inyectar la señal en la fibra tenía 432 canales independientes (es decir, se utilizaron 432 láseres de frecuencia (o color) diferente). La técnica WDM se puede combinar con la técnica OFDM (multiplexado ortogonal por división en la frecuencia) permitiendo alcanzar la friolera de 101,7 Tbit/s en una distancia de 165 km; se utilizaron 1480 canales ópticos (o portadoras) independentes gracias al uso de un sistema con 370 láseres independientes. Las técnicas WDM son caras porque requieren láseres caros; una solución son las técnicas TDM (multiplexado por división en el tiempo) que utilizan un único láser y que también pueden alcanzar anchos de banda de Tbit/s; el récord más reciente es de 10,2 Tb/s en una distancia de 29 km. Utilizando un único láser se puede generar un peine de frecuencias ópticas y aplicar una técnica mixta WDM y TDM, lo que ha permitido alcanzar los 32,5 Tbit/s en una distancia de 227 km (se utilizó un peine de frecuencias ópticas de 325 canales, equivalente a un sistema láser con dicho número de láseres independientes). Los interesados en más información sobre este récord pueden consultar el artículo de David Hillerkuss et al., “Single-laser 32.5 Tbit/s Nyquist WDM transmission,” ArXiv:1203.2516 (que ha sido enviado a la revista Optics Express).

ICARUS contradice a OPERA: Mide 7 neutrinos que se mueven a la velocidad de la luz

Ya anunciamos en este blog que OPERA cedería su sistema de medida de la velocidad de los neutrinos a los otros experimentos de Gran Sasso. ICARUS ha medido la velocidad de los neutrinos producidos por el CERN (CNGS) y ha obtenido que se mueven a la velocidad de la luz, su adelanto respecto a un haz de fotones es compatible con δt = 0. Para los interesados en los detalles, el resultado medido es δt = 0,3 ± 4,0 (stat) ± 9,0 (syst) ns (nanosegundos); hay que recordar que OPERA midió δt = 57,8 ± 7,8 (stat) −5,9 +8,3 (syst) ns. El acelerador de protones SPS del CERN ha funcionado brevemente en un modo de baja intensidad, produciendo pulsos de solo un billón de protones en el blanco de grafito, con una duración por pulso de 3 ns y separados por 524 ns. El detector de ICARUS T600 en Gran Sasso (CNGS2) ha logrado recoger 7 eventos de neutrinos con las características energéticas que indican que fueron producidos en CNGS. Gracias al sistema de medida de tiempos de OPERA, adaptado al experimento ICARUS, se ha podido verificar que estos neutrinos han viajado a la velocidad de la luz (su masa es tan pequeña que es imposible medir con suficiente precisión su velocidad menor que la de la luz). El artículo técnico está firmado por dos españoles del CERN junto al resto de los miembros de la colaboración ICARUS, en concreto, M. Antonello et al. (ICARUS Collaboration), P. Alvarez Sanchez, J. Serrano (CERN), “Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam,” ArXiv:1203.3433.

Creo que es importante destacar varias cosas. Los neutrinos medidos por ICARUS son del mismo tipo y con el mismo espectro energético que los medidos por OPERA pues han sido producidos por el mismo experimento CNGS (protones de SPS sobre un blanco de grafito que producen piones y kaones que se desintegran en neutrinos en un túnel de vacío de 1 km de longitud); además, la distancia recorrida por los neutrinos entre CNGS y LNGS (ICARUS T600 en Gran Sasso) es prácticamente la misma, unos 731 km. Esta nueva medida también ha utilizado el sistema de GPS para medir la distancia y los relojes atómicos para medir los tiempos son similares a los usados por OPERA. Los neutrinos que ha medido ICARUS fueron enviados entre el 21 de octubre de 2011 y el 6 de noviembre de 2011, aunque el artículo se publique en ArXiv hoy. Finalmente, es importante indicar que el problema detectado en una conexión de fibra óptica en OPERA no ha afectado a la medida tomada en ICARUS.

Para los que quieran más información sobre ICARUS T600 solo indicaré que se trata de un detector de neutrinos basado en un tanque (dividido en dos módulos) de 760 toneladas de argón líquido ultrapuro [web del ICARUS]; cuando un neutrino colisiona con un núcleo de argón-40 produce un electrón y un núcleo de potasio-40; el electrón tiene energía suficiente para provoca una cascada de interacciones que deja una traza visible. Más detalles en A. Fava (for the ICARUS Collaboration, I.N.F.N. Padova), “Status report of ICARUS-T600,” y en Paola Sala (INFN Milano, For the ICARUS Collaboration), “Status of the ICARUS T600,” Zurich, 07-11-2011. El artículo de ICARUS detalla cómo se han medido los errores en la medida de tiempos y parecen razonables. Habrá que esperar a próximas repeticiones del experimento con un mayor número de neutrinos para confirmar definitivamente este resultado.

PS 1: Recomiendo la lectura de Lubos Motl, “ICARUS: the neutrino speed discrepancy is 0, not 60 ns,” TRF, mar. 16, 2012. Lubos destaca y aclara que medir con precisión el tiempo de retraso de los neutrinos respecto a la luz, −δt en la notación de más arriba, es imposible con la tecnología actual por que su pequeña masa implica (c-v)≈10−20c; creo que es importante destacar este punto. Además, él se atreve a afirmar que tratar de medir la velocidad de los neutrinos, como intentaron OPERA y MINOS, no es más que un gasto innecesario de dinero. Yo no comparto esta opinión y creo que es necesario hacerlo, aunque sepamos que no vamos a poder obtener un resultado diferente de la velocidad de la luz.

PS 2: El CERN ha vuelto ha actualizar en su web la noticia “OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso,” con el UPDATE 16 March 2012: “ICARUS experiment at Gran Sasso laboratory reports new measurement of neutrino time of flight consistent with the speed of light.”

“The evidence is beginning to point towards the OPERA result being an artefact of the measurement,” said CERN Research Director Sergio Bertolucci, “but it’s important to be rigorous, and the Gran Sasso experiments, BOREXINO, ICARUS, LVD and OPERA will be making new measurements with pulsed beams from CERN in May to give us the final verdict. In addition, cross-checks are underway at Gran Sasso to compare the timings of cosmic ray particles between the two experiments, OPERA and LVD. Whatever the result, the OPERA experiment has behaved with perfect scientific integrity in opening their measurement to broad scrutiny, and inviting independent measurements. This is how science works.”

The ICARUS experiment has independent timing from OPERA and measured seven neutrinos in the beam from CERN last year. These all arrived in a time consistent with the speed of light.

PS 3: En español recomiendo leer a Jorge Díaz, “Experimento ICARUS indica que neutrinos no son superlumínicos,” Conexión causal, marzo 16, 2012. Jorge nos aclara al final de su entrada la diferencia entre error sistemático y el significado de la palabra error en el lenguaje cotidiano (más próximo a fallo): “Muchos medios han confundido los dos términos haciendo parecer que los [físicos] experimentales no hacen bien su trabajo ya que cometen errores; sin embargo, esto ocurre solo por un mal uso de la palabra error; en inglés es más fácil evitar este problema ya que se usan palabras diferentes: systematic error y mistake.” También nos destaca que otros experimentos de Gran Sasso van a repetir la medida: “La semana pasada estuve con miembros de un experimento muy diferente llamado Borexino, que está también en Gran Sasso y pueden ver los neutrinos provenientes de CERN, por lo tanto también intentarán medir la velocidad de los neutrinos. En EEUU, el experimento MINOS ha estado trabajando duro en el reanálisis de sus años de datos para mejorar la medición que realizaron en 2007. Estuve el pasado domingo con la persona a cargo de este análisis, que me contaba que hay dos analisis. Uno usa los datos que han tomado en todos estos años pero con un mejor entendimiento de sus sistemas electrónicos (conexiones fibra óptica y GPS). El otro es de datos que se están tomando en este momento hasta abril, cuando el principal complejo de aceleradores de Fermilab sea detenido para mantenimiento y modernización para el experimento NOvA en construcción. Allí comenzarán una nueva fase llamada MINOS+ que consiste en el mismo experimento MINOS pero con un haz de neutrinos más intenso y de mayor energía.”

PS 4: Merece la pena leer, como siempre, a Matt Strassler, “This Time, ICARUS Really DOES Refute OPERA,” Of Particular Significance, March 16, 2012. Lo que más me gusta es su último párrafo: “¿Para qué ha servido el caso OPERA resuelto por ICARUS? Para que los físicos de partículas y los de neutrinos en particular, valga la redundancia, hayan aprendido a medir distancias y tiempos con mucha precisión. Este conocimiento tendrá importantes aplicaciones en futuros experimentos.”

PS (20 marzo): Kanijo, “Los neutrinos no son más rápidos que la luz,” Ciencia Kanija, 20 marzo 2012, traducción de Geoff Brumfiel, “Neutrinos not faster than light,” Nature News, 16 March 2012.

La física de la catapulta que utiliza un helecho para dispersar sus esporas

El helecho Polypodium aureum es nativo de las regiones tropical y subtropical de América. Las esporss de este helecho se dispersan de forma anemófila (por el viento) gracias a un mecanismo tipo catapulta. Los esporangios esféricos que encierran las esporas están equipados con una fila de 12 a 13 células especializadas llamada anillo. Cuando estas células se deshidratan producen un cambio drástico en la curvatura del esporangio, que incrementa la energía elástica almacenada hasta un punto en el que, de forma brusca, como una catapulta, se liberan las esporas contenidas en las células del anillo. Las esporas son expulsadas a una velocidad de unos 10 m/s, lo que implica que la catapulta las ha acelerado a unos 105 g. Se publica en Science un análisis de la mecánica de esta catapulta que demuestra que su eficiencia se basa en aprovechar dos escalas de tiempo muy diferentes asociadas al cierre del anillo. La belleza de este mecanismo de dispersión de esporas y su similitud con las catapultas medievales me han llamado mucho la atención.  El artículo técnico es X. Noblin, N. O. Rojas, J. Westbrook, C. Llorens, M. Argentina, J. Dumais, “The Fern Sporangium: A Unique Catapult,” Science 335: 1322, 16 March 2012 [suplem. info.].

La dispersión de esporas en las plantas y los hongos juegan un papel crítico en la supervivencia de estas especies. Por lo tanto, diversas plantas y grupos de hongos han desarrollado bajo una fuerte presión selectiva mecanismos muy ingeniosos para dispersar eficazmente sus esporas. El breve artículo técnico presenta un modelo mecánico del esporangio en la información suplementaria que seguro que será muy curioso para profesores de física e ingeniería que impartan cursos de mecánica.

El “grafeno molecular” y la aparición de campos “pseudomagnéticos” sobre fermiones de Dirac

Este vídeo muestra la síntesis molécula a molécula de un nuevo material llamado “grafeno molecular” utilizando un microscopio de efecto túnel. Estos análogos al grafeno se fabrican manipulando moléculas individuales de monóxido de carbono, CO, que son colocadas sobre un substrato de cobre, Cu(111). Estos materiales tienen algunas propiedades semejantes al grafeno, como la propagación de fermiones de Dirac sin masa, pero con la ventaja adicional que presentan grados de libertad que permiten controlar algunas de estas propiedades (lo que es imposible con el grafeno). ¿Para qué se pueden utilizar estos “grafenos exóticos”? Se supone que acabarán teniendo múltiples aplicaciones tecnológicas (si algún día se logran fabricar de forma eficiente), pero en la actualidad su interés es básico, permitir simular ciertos procesos físicos, como transiciones de fase topológicas o la adquisición de masa por parte de fermiones de Dirac. El artículo técnico es Kenjiro K. Gomes, Warren Mar, Wonhee Ko, Francisco Guinea & Hari C. Manoharan, “Designer Dirac fermions and topological phases in molecular graphene,” Nature 483: 306-310, 15 March 2012. Nos cuenta su importancia Jonathan Simon, Markus Greiner, “Condensed-matter physics: A duo of graphene mimics,” Nature 483: 282–284, 15 March 2012, que también se hacen eco del artículo de Leticia Tarruell, Daniel Greif, Thomas Uehlinger, Gregor Jotzu, Tilman Esslinger, “Creating, moving and merging Dirac points with a Fermi gas in a tunable honeycomb lattice,” Nature 483: 302–305, 15 March 2012. Me gusta más el artículo de Gomes et al. porque presenta ilustraciones mucho más atractivas.

El grafeno es un material plano formado por una sola capa de átomos organizados en forma de panal de abeja. Los “grafenos moleculares” permiten imitar esta estructura con la posibilidad de introducir defectos, variaciones de la estructura reticular del material. El interés básico de los análogos exóticos al grafeno está en el estudio del comportamiento de una partícula obligada a moverse en una estructura con forma de panal de abeja. Estas partículas se comportan como fermiones de Dirac sin masa y viajan a la velocidad de la luz. Su estudio se había centrado hasta ahora en el grafeno, pero los “grafenos moleculares” permiten controlar ciertos grados de libertad y estudiar transiciones de fase en las que estos fermiones de Dirac adquieren masa. Estos materiales son análogos físicos de ciertas roturas espontáneas de la simetría y permiten estudiar en el laboratorio fenómenos que de otra forma solo podrían ser estudiados mediante modelos teóricos o computacionales.

Gomes y sus colegas han estudiado la transición de un “grafeno molecular” a una disposición periódica que se conoce como estructura de Kekulé; en esta transición los fermiones de Dirac sin masa adquieren masa. La teoría predice que esta transición debería ir acompañada de la aparición de un campo gauge; estos físicos han observado que los fermiones tras adquirir masa se comportan como si estuvieran en un campo magnético. La aparición y desaparición de un campo magnético “aparente” (que los autores llaman “campo pseudomagnético”) tiene una ventaja importante. El campo “pseudomagnético” se puede intensificar hasta alcanzar valores tan enormes como 60 T (teslas); si este campo magnético fuera real el material no sería capaz de soportarlo, sin embargo, al ser un campo “pseudomagnéitco” permite estudiar el comportamiento de fermiones de Dirac bajo estas condiciones tan extremas.

El estudio del “grafeno molecular” dará lugar a aplicaciones tecnológicas, pero para mí lo más interesante es que permite un control sobre los fermiones de Dirac en el “grafeno” que permitirá el estudio experimental de fenómenos que hasta ahora solo se podían estudiar de forma teórica.