Diseño gráfico y visualización científica en física de partículas

Un protón formado por tres quarks unidos por un campo de gluones. (C) CERN 2011.

Hay muchas maneras de representar una partícula, como un electrón o un quark, o una partícula compuesta, como un protón o un pión. Cada representación tiene sus ventajas y sus inconvenientes de cara al especialista y a la divulgación. En esta entrada expondré una de las que más me gusta, que incluye información sobre la carga eléctrica, la carga débil, la carga de color y el espín de cada partícula. Ha sido propuesta por el Grupo de Trabajo en Animaciones del CERN (CERN Working Group on Animations), cuyo objetivo es facilitar la divulgación de la física de partículas en animaciones, vídeos y documentales. La descubrí gracias a Rolf Landua, “Graphical representation and animations of CERN physics and technologies,” IPPOG Meeting, 4 November 2011.

Esta figura representa un quark arriba (up) cuyo espín es +1/2, su carga eléctrica es +2/3, su carga de color es “azul” y su carga débil (sabor) es “arriba.” El espín de un fermión se representa mediante un remolino blanco en el centro, que rota en el sentido de las agujas del reloj para el valor +1/2 y en sentido antihorario para el valor −1/2. [Como bien dice Mario Herrero @Fooly_Cooly en Twitter, el torbellino representa la helicidad de la partícula, la proyección del espín en la dirección del momento lineal o velocidad, correspondiendo los valores +1/2 y −1/2 a partículas levógiras y dextrógiras; también puede ser la quiralidad, el doble de la helicidad, pero sus valores son +1 o −1]. La carga de color puede ser azul, verde, rojo o neutra y se representa con la esfera colocada en el centro. La carga eléctrica positiva, negativa o neutra se representa con un color rosa, celeste o gris y se representa con la esfera más externa. El sabor se representa con uno, dos o tres agujeros según la familia de la partícula, colocados arriba o abajo.

Esta figura representa tres quarks arriba cada uno de un color diferente (azul, verde y rojo).

Ahora se muestran dos quarks rojos, uno con sabor arriba (carga eléctrica +2/3) y otro con sabor abajo (carga eléctrica −1/3).

Las cuatro partículas de la primera generación (marcadas con un solo agujero) se representan en esta figura. El electrón tiene carga eléctrica −1, es neutro para la carga de color y en este caso tiene espín +1/2. El neutrino electrónico es neutro tanto para la carga eléctrica como para la carga de color y en este caso también tiene espín +1/2.

Esta figura representa las tres generaciones de leptones, la primera con el electrón y el neutrino e (electrónico), la segunda con el muón y el neutrino mu (muónico), y la tercera con el leptón tau y el neutrino tau (tauónico). Una representación similar se utiliza para los 6 quarks, además de los de primera generación, el arriba (up) y el abajo (down), los de segunda, el encantado (charm) y el extraño (strange), y los de tercera, el cima (top) y el fondo (bottom). Te dejo como ejercicio, si te apetece, dibujar en papel estos quarks (o utilizando un programa gráfico en tu ordenador).

Las antipartículas se pueden representar de forma totalmente similar a las partículas, cambiando el signo de la carga eléctrica, cambiando el color a un anticolor y cambiando la dirección del espín [Como bien dice Mario Herrero @Fooly_Cooly en Twitter, el torbellino representa la helicidad (o quiralidad) de la partícula e invierte su valor al pasar de la partícula a la antipartícula]. Los colores RGB (rojo, verde y azul) tienen como anticolores CMY (celeste, morado y amarillo). La figura de arriba muestra los quarks y antiquarks de la primera generación, con color rojo los primeros y anticolor celeste los segundos.

Esta figura muestra los leptones y antileptones de la primera generación, en concreto el electrón, el positrón, el neutrino electrónico y el antineutrino electrónico. Hay una propiedad importante de las partículas que no ha sido representada, la helicidad, ¿cómo crees que podría ser incorporada? Te lo dejo como ejercicio.

Hasta ahora hemos visto cómo representar los fermiones del modelo estándar, pero también hay que representar los bosones gauge cuyo espín es 1 y se representará por dos ondulaciones. Esta figura representa el fotón y su color es gris porque es neutro para la carga eléctrica y para la carga de color. Como su masa es nula, su interior aparece hueco.

Los bosones vectoriales electrodébiles se representan de forma similar al fotón, pero con un color que indica su carga eléctrica y con una esfera en su interior que recuerda que tienen masa no nula.

Los gluones son bosones de espín 1 y masa nula, neutros para la carga eléctrica, pero cargados con un color y un anticolor, en este caso rojo y antiazul.

Hay 8 gluones diferentes y cada uno puede tener una de las 9 combinaciones de color que se muestran en esta figura.

La única partícula que nos queda es el bosón de Higgs. ¿Cómo lo representarías?

PS: Javier nos propone la representación del Higgs que aparece abajo, a la izquierda, aunque la recomendada es la que aparece a la derecha, similar a la propuesta por Amarashiki en los comentarios.

Atención, pregunta: ¿Qué representación de datos te parece más adecuada?

Yo siempre se lo digo a mis alumnos, la representación de los datos es tan importante como los datos mismos. Hay un campo científico llamado visualización científica que estudia cual es la manera más adecuada de presentar los datos. Muchas veces, por convenio, mostramos los datos como todo el mundo lo hace, sin preocuparnos de si es la mejor forma de hacerlo. Estas figuras muestran dos maneras de presentar datos con barras de error: a la izquierda aparece la representación convencional y a la derecha una nueva representación que destaca los intervalos de confianza a 1, 2 y 3 sigmas CL. ¿Cuál de ambas representaciones os parece más informativa? ¿Cuál os permite aprender más sobre los mismos datos? Están extraídas del artículo técnico de Ritu Aggarwal y Allen Caldwell, “Error Bars for Distributions of Numbers of Events,” ArXiv, 12 Dec 2011. Si os gusta más la representación de la derecha, no quiero que a partir de ahora la utilicéis siempre, solo quiero que penséis ¿estoy utilizando la mejor representación posible para mis datos? ¿Lo puedo hacer mejor? En vuestra mano está la respuesta (no en balde son vuestros datos).

Visualización científica en acción (Hans Rosling en TED Talks)

Increíble conferencia de Hans Rosling que nos muestra cómo ilustrar 4 y 5 dimensiones en series de datos a las mil maravillas. Sin lugar a dudas, disfrutarás con “Hans Rosling shows the best stats you’ve ever seen,” TED Talks, Feb. 2006. Si necesitas subtítulos en español puedes pinchar aquí (Subtitles available in 37 languages).

Vídeo de la simulación computacional de la formación de hidrato de metano

El hidrato de un gas es el material que se obtiene al congelar una mezcla de agua y gas, de tal forma que la retícula molecular del hielo encierre a dicho gas. El “hielo de metano” o hidrato de metano es el ejemplo más habitual y se encuentra bajo las capas de lodo marino. Sorprendentemente es un material inflamable, arde al acercar una llama, y podría ser utilizado como combustible, pero el metano es un gas de invernadero. ¿Cómo se forma el hidrato de metano? Matthew R. Walsh y sus colaboradores de la Colorado School of Mines, EEUU, han utilizado simulaciones dinámicas moleculares para estudiar la formación espontánea del hidrato de metano y su crecimiento. Los resultados del ordenador permiten seguir el proceso en detalle en una escala de microsegundos. El proceso se basa en la formación de “jaulas” moleculares en las que se ven encerrados los átomos de metano que se van autoorganizando hasta formar una estructura ordenada similar a un cristal. Este proceso es espontáneo porque es energéticamente favorable. Los dos vídeos que acompañan esta entrada ilustran este proceso de nucleación y “enjaulamiento” del metano en la retícula de hielo. El artículo técnico es Matthew R. Walsh, Carolyn A. Koh, E. Dendy Sloan, Amadeu K. Sum, David T. Wu, “Microsecond Simulations of Spontaneous Methane Hydrate Nucleation and Growth,” Science Express, Published Online October 8, 2009. Los detalles de las simulaciones por ordenador realizadas se encuentran en la Información Suplementaria.

Las simulaciones han requerido un día de trabajo cada 75 ns (nanosegundos) de simulación en un supercomputador de 23 TFLOP (“billones” de operaciones en coma flotante por segundo), constituido por un cluster de procesadores. Se han simulado 512 átomos de metano y 2944 moléculas de agua (hielo) enfriados a una temperatura de 305 K y a una presión de 10 MPa (megapascales). El dominio tridimensional simulado es un cubo con un lado de 5 nm (nanómetros) con condiciones de contorno periódicas. Se ha utilizado un paso de tiempo de 2 fs (femtosegundos).

El vídeo que abre esta entrada muestra un detalle de las fases iniciales de formación de las “jaulas” de hielo que encierran a las moléculas de metano dando lugar al crecimiento y formación del hidrato de metano. Sólo se muestran algunas de las moléculas de agua (esferas pequeñas) y de metano (esferas grandes). Han sido seleccionadas las que acaban formando parte de la estructura que se observa al final. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua se muestran como líneas rojas a trazos.

El vídeo que cierra esta entrada muestra una visualización durante de 2 μs de tiempo real de la nucleación del hidrato de metano y su crecimiento a una temperatura de 250 K y una presión de 50 MPa. Las moléculas de agua se muestran como línes sólidas negras, los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua se muestran como líneas a trazos rojas y las moléculas de metano como esferas sólidas azules, que cuando quedan “enjauladas” pasan a tener un color verde claro.

PS (20 nov. 2009): Ya se ha publicado el artículo en Science 326: 1095-1098, 20 November 2009, acompañado de una interesante Perspective de Pablo G. Debenedetti y Sapna Sarupria, “Chemistry: Hydrate Molecular Ballet,” Science 326: 1070-1071, 20 November 2009.

El arte moderno de la complejidad genómica en biología

Dibujo20091008_Modules_correlated_transcripts_associated_organismal_phenotypes_left_Competitive_fitness_right_Starvation_stress_resistance

Hace años un gen estaba asociado a una característica física del fenotipo. Hoy sabemos que esto no es verdad. La biología de sistemas ha demostrado que cada una depende de la interacción de una compleja red de genes entre sí y con el entorno. La figura de arriba muestra dos diagramas de correlación entre los genes expresados para dos fenotipos diferentes en la mosca de la fruta. Hay similitudes pero también hay muchas diferencias. Viendo estos diagramas es muy difícil distinguir qué genes son los responsables últimos de dichos fenotipos. Todo está imbricado y regiones muy alejadas del genoma se ven afectadas. Estos diagramas de colores, que parecen cuadros de arte moderno, aparecen cada día con más asiduidad en los artículos técnicos. Sin entrar en los detalles, esta visualización científica de estos datos multidimensionales ofrece al lego una obra artística abstracta con cierta belleza, la propia del arte moderno. La visualización científica, la rama de la ciencias computacionales que estudia como representar datos multidimensionales mostrando sus interrelaciones, destacando lo “funcional” en lo estrictamente complejo, tiene muchas veces más de arte que de ciencia, la artesanía de los datos. Nos lo cuenta Judith E. Mank, “Journal Club,” Nature 461: 701, 8 october 2009.

Judith nos recuerda que Trudy Mackay, en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, en Raleigh, EEUU, y sus colaboradores están estudiando las bases genéticas de los fenotipos más distintivos de la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster. Su enfoque sistémico está basado en el estudio de más de 10.000 genes que son correlacionados entre sí y con diferentes expresiones fenotípicas. La elegancia de esta complejidad se expresa en figuras geométricas de vivos colores que podrían ocupar las paredes de cualquier galería de arte moderno. El artículo técnico J. F. Ayroles et al. “Systems genetics of complex traits in Drosophila melanogaster,” Nature Genetics 41: 299–307, 2009. La belleza de esta figura se conjuga con nuevos datos que muestran las conexiones entre conceptos clásicos como la herencia y conceptos nuevos como la pleitropía (un gen como responsable de efectos fenotípicos o caracteres distintos y no relacionados).

Dibujo20091008_Pleiotropy_between_phenotypic_modules_connected_with_significant_overlap