La búsqueda de neutrinos de Majorana en las desintegraciones de mesones B en LHCb

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La semana que viene empiezan las conferencias de Moriond (EW y QCD), cuyo tema estrella será el bosón de Higgs, pero también hay otros resultados muy interesantes que muchos esperamos. Todavía no se sabe si los neutrinos son partículas tipo Majorana (no hay diferencia entre los neutrinos y los antineutrinos) o tipo Dirac (neutrinos y antineutrinos son partículas diferentes). Para estudiarlo se puede utilizar la doble desintegración beta sin neutrinos, parte derecha de la figura. En los experimentos del LHC en el CERN, en especial en LHCb, también se puede utilizar la desintegración de mesones B, en la parte izquierda de la figura se presenta su diagrama de Feynman para la desintegración  B → D(*)+ μ μ, donde los neutrinos de Majorana (N) que se aniquilan mutuamente son virtuales, por lo que este diagrama es independiente de la masa del neutrino; hay otras desintegraciones de mesones B, pero requieren que la masa del neutrino de Majorana N sea grande. Belle y LHCb han buscado este tipo de desintegración y aún no la han observado. En el caso de LHCb se buscó en 0,37 /fb de datos de colisiones de 2011 (LHCb Collaboration, “Searches for Majorana neutrinos in B decays,” Physical Review D 85: 112004, 2012 [arXiv:1201.5600]). LHCb acumuló 1,1/fb de colisiones a 7 TeV c.m. en 2011 y nada menos que 2,08 /fb a 8 TeV c.m. en 2012, es decir, dispone de unos 10 veces más datos que los utilizados en el artículo publicado Phys. Rev. D. Muchos esperamos que en Moriond se publique una actualización de esta búsqueda de neutrinos de Majorana en LHCb (al menos con los 1,1 /fb de 2011). Sinceramente, creo que será uno de los grandes resultados de la conferencia. Otros modos de desintegración “raros” que podrían ser actualizados en Moriond son discutidos por Hugo Ruiz, “Latest rare decay results from LHCb,” Les Rencontres de Physique de la Vallée d’Aoste, 27 Feb 2013 [slides].

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Francis en ¡Eureka!: Dos mil millones de euros al estudio del cerebro y del grafeno

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Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue estos enlaces si te apetece escuchar el audio del programa completo (mi sección empieza a las 02:05:00), o sólo el audio de mi sección. Como siempre una transcripción libre del contenido.

La Unión Europea ha decidido invertir dos mil millones de euros en dos proyecto durante diez años, uso sobre el cerebro y el otro sobre el grafeno, ¿en qué consiste esta convocatoria  de proyectos de investigación tan especial? La Unión Europea financia proyectos de investigación gracias a los llamados Programas Marco. El actual es el séptimo programa marco (7PM) desde 2007 hasta 2013. El próximo será el octavo programa marco (8PM) desde 2014 hasta 2020. La mayoría de los proyectos que se financian en los programas marco tienen una duración de tres o cuatro años, e involucran a muchos grupos de investigación de diferentes países. Pero cuando finalizan estos proyectos, los grupos que colaboran entre sí se disgregan. Para afianzar colaboraciones a largo plazo, la Unión Europea decidió crear una iniciativa de proyectos financiados durante diez años. La iniciativa se llama Proyectos Bandera en Tecnologías Futuras y Emergentes. Se presentaron 21 proyectos en el año 2010, de los que se eligieron 6 finalistas que en 2011 recibieron un millón y medio de euros durante un año para elaborar la propuesta definitiva para octubre de 2012. El pasado 28 enero se anunciaron los dos proyectos “bandera” ganadores cada uno de mil millones de euros: Graphene, que pretende estudiar las aplicaciones del grafeno, y Human Brain Project (el Proyecto Encéfalo Humano), que pretende simular el encéfalo mediante ordenador.

Estos proyectos deben ser muy grandes y deben involucrar a muchos grupos de investigación, porque cien millones de euros al año durante diez años es mucho dinero. Los dos proyectos son enormes. El proyecto “Graphene” está liderado por Jari Kinaret (Universidad Técnica de Chalmers, Suecia) quien coordina a 126 grupos académicos e industriales de 17 países europeos. El proyecto “Human Brain Project” está liderado por Henry Markram (Escuela Politécnica de Lausana, Suiza) quien coordina a 87 grupos de investigación en 23 países (16 de ellos europeos). Realmente se trata de proyectos a gran escala. La colaboración de España en ambos proyectos está liderada por investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC): Francisco Guinea para el proyecto Grafeno y Javier de Felipe para el del Encéfalo (proyecto en el que participan 25 grupos de investigación españoles).

El más interesante de los dos parece el proyecto sobre el cerebro. ¿Cuáles son sus objetivos? Entender el cerebro y el encéfalo en su conjunto es uno de los grandes retos para la ciencia en el siglo XXI. El proyecto se divide en seis frentes de investigación: neuroinformática, simulación del encéfalo, computación de alto rendimiento, informática médica, neuromórfica y neurorobótica. Los resultados que se obtengan están dirigidos a neurólogos, médicos, investigadores y tecnólogos especialistas en neurociencias. El Proyecto Encéfalo Humano mejorará todo nuestro conocimiento sobre el encéfalo gracias a la integración de datos experimentales y simulaciones mediante superordenadores.

El proyecto propone estudiar el encéfalo en su conjunto, siendo el cerebro su parte más voluminosa, ¿por qué estudiar el encéfalo completo y no sólo el cerebro? El cerebro parece grande, por su volumen, pero en número de neuronas es una parte pequeña de todo el encéfalo. El encéfalo forma parte del sistema nervioso central junto a la médula espinal; el sistema nervioso periférico está compuesto por los nervios que conectan todo el organismo con la parte central. El encéfalo es todo lo que tenemos dentro del cráneo, el cerebro, el cerebelo, el tálamo y el tronco del encéfalo. En el encéfalo hay unas 86.000 millones de neuronas, la mayoría están en el cerebelo (unas 70.000 millones); en el cerebro sólo hay unas 15.000 millones. Los estudios más recientes nos indican que el cerebro es lo que más abulta, pero no la parte que más neuronas tiene. Junto a las neuronas, en el encéfalo también hay células de la glía, unas 85.000 millones de células gliales. Estas células protegen a las neuronas de sustancias químicas externas y producen la mielina que actúa como aislante eléctrica para facilitar la transmisión de las señales eléctricas entre neuronas.

El cerebro es la máquina más complicada que ha estudiado el hombre. ¿Por qué es tan complicado? Porque hay 86.000 millones de neuronas que se comunican entre sí por medio de unos 500 billones de sinapsis. El encéfalo es la estructura más complicada que la ciencia estudia. Cada neurona tiene un cuerpo (soma), un único axón (que usa para enviar información) y un gran número de dendritas o prolongaciones del cuerpo (que usa para recibir información). Las neuronas se comunican entre sí enviando impulsos eléctricos a través del axón y enviando y recibiendo neurotransmisores en las sinapsis que ocurren en las dendritas. Se calcula que cada neurona recibe información a través de unas 10.000 sinapsis y envía información a través de unas 1.000. En el cerebelo hay neuronas con hasta 200.000 conexiones de entrada. Las neuronas se comunican mediante señales eléctricas (potenciales de acción) y químicas (potenciales de sinapsis).

La consciencia y el “yo” emergen de la actividad eléctrica del encéfalo. ¿En qué consiste esta actividad eléctrica? Mi amigo Xurxo Mariño, neurocientífico gallego y gran divulgador, afirma que cada neurona es como una batería. En tu cabeza hay unas 86 000 millones de pequeñas baterías cargadas con unos 70 milivoltios. Esta electricidad proviene del movimiento de iones de sodio y potasio con carga positiva. La membrana de las neuronas tienen bombas de Na/K que se abren y cierran a toda velocidad dejando pasar iones de un lado a otro de la membrana, produciendo una diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana (hay más iones de sodio en la cara exterior de la membrana que en la interior y a la inversa, más iones de potasio en la interior que en la exterior. Cuando la neurona se descarga a través del axón, esta diferencia de potencial se mueve como un impulso eléctrico (el llamado potencial de acción). Al final del axón hay una o varias sinapsis y en cada una de ellas la señal eléctrica se convierte en una señal química, un neurotransmisor. Cada neurona se comunica con las demás con algo parecido al código Morse, con pitidos y silencios: bip bip  … bip bip bip … bip … bip bip… Este movimiento de impulsos eléctricos en el encéfalo consume mucha energía, del orden del 20% de toda la energía de los alimentos.

La señal eléctrica se convierte en señal química, los neurotransmisores como la adrenalina que se intercambian entre las neuronas. ¿Cómo ocurre esta conversión? El potencial de acción (el impulso eléctrico) al llegar al final de los axones provoca la apertura de los canales de calcio, que hacen que el calcio entre en la neurona y se libera el neurotransmisor al espacio sináptico. Este proceso se llama sinapsis química y es el medio en el que se comunican entre sí casi todas las neuronas. La neuronas tienen receptores específicos para cada uno de los neurotransmisores que reciben de otras neuronas, como la adrenalina, el glutamato, la dopamina, la serotonina, entre otros muchos. Estos neurotransmisores regulan la agresividad, la sexualidad, el humor, el sueño, y muchos otras funciones cognitivas. Los neurotransmisores son de dos tipos, los excitadores, que al acumularse en suficiente cantidad hacen que la neurona receptora genere nuevos potenciales de acción, y los inhibidores que realizan lo contrario.

Funciones cognitivas superiores como la consciencia y el yo son resultado de la actividad de las neuronas. El Proyecto Encéfalo Humano pretende descubrir cómo ocurre este proceso. ¿Algún día habrá un ordenador consciente de su propio yo? Los neurocientíficos piensan que la mente es producto del encéfalo y que algún día se podrá construir un encéfalo artificial con una inteligencia similar a la mente humana, dotado de sensibilidad, capacidad de emoción y de un “yo” consciente. El problema es que a día de hoy, simular 86.000 millones de neuronas y unas 500 billones de sinapsis está más allá de lo alcanzable con los superordenadores más poderosos del mundo. Muchos expertos creen que en el siglo XXI se logrará hacerlo y los resultados del Proyecto Encéfalo Humano de la Unión Europea podrían ser claves para alcanzar este logro.

¿Qué lugar ocupa el alma en la neurociencia actual? El concepto religioso de alma inmortal es una manera de aludir del “yo” consciente que se remonta a una época en la que no existía la neurociencia. Todos los neurocientíficos actuales consideran que el “yo” es producto de la actividad metabólica y eléctrica del encéfalo y del resto del sistema nervioso. La mente y el encéfalo son la misma cosa. Cuando estamos inconscientes el “yo” no se va a ninguna parte, sencillamente deja de ser generado por la actividad neuronal. Se desvanece. Todas las noches, durante el sueño profundo el “yo” desaparece de manera temporal y vuelve a emerger con rapidez y facilidad al despertar. Pero tu nuevo “yo” no es el mismo que se durmió, hay diferencias y modificaciones sutiles en tu arquitectura neuronal, tan suvaes que tú no las notas y crees que sigues siendo el mismo. Pero tu “yo” se modifica cada día, cada vez que te duermes. Según la neurociencia actual no existe un “yo” eterno.

Lo dicho, sigue estos enlaces si te apetece escuchar el audio del programa completo (mi sección empieza a las 02:05:00), o sólo el audio de mi sección.

El tercer cinturón de van Allen

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Los dos cinturones de Van Allen, que se descubrieron en 1958, están formados por partículas cargadas (electrones y protones) capturadas por la magnetosfera terrestre. El 30 de agosto de 2012, la NASA lanzó los dos satélites gemelos RBSP (Radiation Belt Storm Probes), llamados popularmente satélites van Allen, ya que su objetivo es estudiar estos cinturones. Gracias a estos satélites se descubrió algo inesperado durante el mes de septiembre de 2012, la aparición y desaparición de un tercer cinturón justo entre los otros dos. Para sorpresa de los investigadores, los primeros días sólo se observaron dos cinturones, pero el 2 de septiembre apareció un tercer cinturón que desapareció el 1 de octubre. El tercer cinturón se observó de forma muy clara en el espectro de electrones con energías entre 4,0 y 5,0 MeV (los satélite gemelos estudian los electrones con energías desde ~1 MeV hasta ~20 MeV). Se cree que el tercer cinturón aparece y desaparece de forma periódica (al contrario que los otros dos que no cambian de forma apreciable con el tiempo), aunque no se conoce aún la causa exacta. Se cree que podría actuar como un tampón (o anillo de almacenaje) de los electrones de alta energía del cinturón exterior de van Allen (cuyos electrones tienen energías por encima de los 4,5 MeV). Futuras observaciones permitirán descubrir la dinámica de este tercer cinturón de van Allen. El artículo técnico es D. N. Baker et al., “A Long-Lived Relativistic Electron Storage Ring Embedded in Earth’s Outer Van Allen Belt,” Science, Published Online Feb 28, 2013.

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El prototipo de los agujeros negros en sistemas binarios con disco de acreción de alta inclinación

Todos los agujeros negros de masa estelar detectados hasta el momento forman parte de sistemas binarios (se han confirmado 18 en la Vía Láctea y hay otros 32 que aún son candidatos), pero ninguno muestra eclipses, aunque una distribución aleatoria para la inclinación del plano de su órbita predice que al menos 10 (el 20%) deberían mostrarlos. La razón puede ser que el disco de acreción formado por la materia que el agujero negro le roba a su compañera adquiere la forma de un toroide con cierto grosor que impide que se observen los eclipses. Así parece indicarlo la observación de Swift J1357.2−093313, una fuente muy débil de rayos X descubierta en 2011 que se cree que es un sistema binario con un periodo orbital de 2,8 horas formado por un agujero negro con una masa mayor de 3,0 M⊙ (masas solares) acompañado de una estrella con una masa de 0,24 M☉ (masas solares) y un radio de 0,29 R☉ (radios solares). La inclinación del disco de acreción toroidal es superior a unos ∼70º (en el vídeo de youtube se ha tomado 85º). Según los autores del estudio, Swift J1357.2−093313 podría ser prototipo de la población de fuentes de rayos X binarias de alta inclinación (el 20% de las fuentes que deberían mostrar eclipses). El investigador principal del estudio es Jorge Casares, Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). El artículo técnico es J. M. Corral-Santana, J. Casares, T. Muñoz-Darias, P. Rodríguez-Gil, T. Shahbaz, M. A. P. Torres, C. Zurita, A. A. Tyndall, “A Black Hole Nova Obscured by an Inner Disk Torus,” Science 339: 1048-1051, 1 Mar 2013 [arXiv:1303.0034].