sábado, 31 de marzo de 2012

Aceleradores, arte y arqueología

Los mundos del arte y de la arqueología han adaptado técnicas desarrolladas en los laboratorios de física nuclear para descubrir dónde y cuándo fue creado un artefacto o una obra de arte.

Todos sabemos que los expertos de arte representan un papel importante a la hora de identificar el estilo, la historia y el contexto de un cuadro, pero hacen falta otras fuentes para identificar y clasificar una pieza de arte con una base científica sólida.

Un buen número de métodos con orígenes en la biología, la química y la física han permitido a los científicos e historiadores de arte mirar bajo la superficie de una pintura o un artefacto. No sólo eso: también han ayudado a analizar en detalle los pigmentos usados, a investigar las técnicas de pintura y las modificaciones hechas por el artista o los restauradores, a encontrar restos de materiales que revelen la época y la procedencia, y a más cosas.

Esas técnicas pueden proporcionar información suficiente para afirmar o negar la autenticidad de una obra de arte o un artefacto; y ese tipo de información puede ser asimismo esencial para una adecuada restauración o conservación de la pieza en cuestión. En concreto, la física nuclear ha proporcionado numerosas técnicas de análisis y detección que incluyen haces iónicos acelerados en aceleradores de tamaño pequeño o mediano, como aceleradores electrostáticos o ciclotrones.

Varios laboratorios con aceleradores operan únicamente para hacer accesible el uso de estas técnicas con haces al mundo del arte y la arqueología. La mayoría de estas instalaciones se encuentran en Europa, como el Centro Nacional de Aceleradores de Sevilla (España).

Como ejemplo de este tipo de técnicas, escribiré un par de artículos sobre PIXE y AMS. Espéralos en breve.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i1/p58_s1

miércoles, 28 de marzo de 2012

La evolución de la Luna

Cuando observamos la Luna, parece que nunca cambia: siempre vemos los mismos cráteres y manchas. Pero la Luna no siempre fue así. Gracias a la sonda espacial Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) de la NASA, ahora podemos echar un vistazo a una parte de la historia de la Luna. El siguiente vídeo lo resume bastante bien:


Probablemente, la Luna empezó siendo una bola gigante de magma que se formó a partir de una colisión de un objeto del tamaño de Marte con la Tierra, hace unos 4500 millones de años. Después de que se enfriara el magma, se formó la corteza de la Luna. Posteriormente, hace alrededor de 4300 millones de años, un objeto gigante chocó cerca del polo sur de la Luna, dando lugar a la cuenca Aitken, uno de los mayores cráteres de impacto del sistema solar. Esto fue el principio de una serie de colisiones que provocaron cambios a gran escala en la superficie de la Luna, como son la formación de grandes cuencas.

Debido a que la Luna no se había enfriado totalmente por dentro, el magma empezó a filtrarse a través de las grietas causadas por los impactos. Hace aproximadamente mil millones de años, la actividad volcánica cesó en la cara visible de la Luna cuando el último gran impacto dejó su huella en la superficie. No obstante, la Luna siguió siendo azotada por impactos menores. Algunos de los más conocidos de este periodo incluyen los cráteres de Tycho, Copérnico y Aristarco.

Así pues, aunque la Luna nos parezca hoy un astro inmutable, su aspecto es el resultado de miles de millones de años de violenta actividad.
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Quisiera dar las gracias por el vídeo a NASA/Goddard Space Flight Center (http://svs.gsfc.nasa.gov/goto?10930).

sábado, 24 de marzo de 2012

Acercándonos al bosón de Higgs (III)

(Esta es la tercera y última parte de este artículo. Te aconsejo leer antes las partes primera y segunda.)

Los portavoces de los equipos de ATLAS y CMS, en su informe del pasado diciembre sobre los datos de los diversos modos de desintegración del bosón de Higgs, mostraron picos de masa que concuerdan con un Higgs de unos 126 GeV de masa. No obstante, tales picos pueden también corresponder a fluctuaciones estadísticas de 2,3 desviaciones estándares para ATLAS y 1,9 desviaciones estándares para CMS.

Así que, ¿cuál es la situación actual? Aparte de apuntar a una posible masa del bosón de Higgs cercana a 126 GeV, las colaboraciones de ATLAS y CMS ya han reducido significativamente el rango de masas permitido para el bosón de Higgs en el modelo estándar. De este modo, si existe, el Higgs debería tener una masa entre 115,5 GeV y 127 GeV.

No obstante, los datos actuales no son concluyentes; en principio, harán falta todas las medidas tomadas durante 2012 para obtener una señal estatísticamente significativa para la masa del bosón de Higgs. Pero, si esto sucede, ¿podríamos decir que hemos descubierto el bosón de Higgs? Estrictamente hablando, no. Si la señal coincide con lo que se espera, lo más que podemos decir es que la señal está en concordancia con la del bosón de Higgs del modelo estándar, pero haría falta confirmar con más datos que las propiedades de la nueva partícula se corresponden con las que se esperan del Higgs. Si la señal se desvía significativamente de lo esperado (o si la relevancia estatística de la señal se reduce enormemente después de analizar los datos del 2012 del GCH), entonces se podrá excluir la existencia del bosón de Higgs del modelo estándar en todo el rango de masas que le es permitido, en cuyo caso el mecanismo de ruptura de simetría más sencillo empleado por el modelo estándar tendrá que ser reemplazado por dinámicas de ruptura de simetría más complicadas. En cualquier caso, seguro que este año será importante para la física de partículas.

Este artículo es una continuación de Acercándonos al bosón de Higgs (II).
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Fuentes:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i2/p16_s1
http://physics.aps.org/articles/v5/32

miércoles, 21 de marzo de 2012

Acercándonos al bosón de Higgs (II)

(Para ver la primera parte de este artículo, pincha aquí.)

El bosón de Higgs no tiene carga ni espín y su masa sólo puede obtenerse a partir del experimento. Otras medidas previas en otros aceleradores, junto con predicciones teóricas para estos experimentos, habían situado la masa del bosón de Higgs entre 114 y 156 GeV; a modo de comparación, el protón pesa aproximadamente 1 GeV. (Como es normal en la física de partículas, la masa se suele dar en términos de su equivalente energético). Por lo tanto, esta ha sido la región de masas en la que se han centrado los enormes detectores ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (GCH) en su búsqueda del bosón de Higgs que comenzó a principios del año 2010.

Si un bosón de Higgs se produce en una colisión de alta energía, la teoría predice que sería extremadamente inestable y se desintegraría en partículas elementales más ligeras. El modelo estándar nos da las probabilidades relativas de que un bosón de Higgs se desintegre en un conjunto concreto de partículas. Y es un exceso de estas partículas frente a los sucesos de fondo (todos los demás procesos que pueden dar lugar a las mismas partículas finales sin necesidad de que haya un bosón de Higgs) lo que los físicos de partículas intentan medir.

En la región de masa antes mencionada, los únicos modos de desintegración que tendrían velocidades de detección y resolución de masa adecuadas son la desintegración en pares de fotones y la desintegración en cuatro leptones (electrones o muones) a través de dos bosones Z. Aunque con menor resolución, también se puede obtener información de la desintegración en un par de bosones W.

Pero, ¿cuál es la situación actual en cuanto al Higgs? ¿Qué pasaría si los experimentos excluyen su existencia? Puedes descubrir la respuesta a estas preguntas en el último capítulo de este artículo: Acercándonos al bosón de Higgs (III).

Este artículo es una continuación de Acercándonos al bosón de Higgs (I).
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i2/p16_s1

sábado, 17 de marzo de 2012

Acercándonos al bosón de Higgs (I)

En diciembre del 2011, representantes de los dos equipos que trabajan en el laboratorio del Gran Colisionador de Hadrones (GCH o LHC por sus siglas en inglés) anunciaron el estado en que se encontraban sus búsquedas del bosón de Higgs. Y el informe fue bastante halagüeño. Pero, antes de nada, ¿qué es el bosón de Higgs?

En el modelo estándar de la física de partículas, el campo cuántico del bosón de Higgs rompe la simetría subyacente que une las interacciones electromagnéticas y débiles. Los mediadores de la fuerza débil (los bosones W± y Z0) tienen una masa unas cien veces mayor que la del protón, mientras que los fotones, que median la fuerza electromagnética, no tienen masa. Basándose en principios de simetría, se hubiera esperado que tanto las partículas W y Z como los fotones (a los que, junto a los gluones, se les llama de forma colectiva bosones de gauge) no tuvieran masa. De este modo, para generar la ruptura de simetría requerida, hay que inventar un nuevo grupo de partículas e interacciones que serán las que permitan explicar el origen de la masa de las partículas elementales.

La forma más fácil de hacer esto es, según el modelo estándar, mediante la existencia de una partícula llamada bosón de Higgs. La teoría predice las interacciones de este bosón con los quarks, leptones y bosones de gauge del modelo estándar; sin embargo, su masa es un parámetro libre que sólo se puede determinar a través del experimento. Y aquí es donde entran los colisionadores de partículas, en especial en estos momentos, el GCH.

Ahora bien, ¿dónde buscar el bosón de Higgs? ¿Qué dice el informe del GCH/LHC? ¿Qué pasaría si no se encuentra?
Para saber más del bosón de Higgs, continúa leyendo Acercándonos al bosón de Higgs (II).

Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i2/p16_s1

miércoles, 14 de marzo de 2012

Tornados solares

En febrero del 2010, la NASA lanzó el telescopio espacial denominado "Observatorio de Dinámica Solar" (SDO, por sus siglas en inglés) para estudiar el Sol. El SDO graba vídeos del Sol en alta definición de forma constante. Recientemente, ha mandado un vídeo sorprendente (se puede ver aquí) en el que se aprecian tornados solares por la superficie del Sol.

En realidad, se trata de fuentes de plasma supercaliente que giran y se desplazan por la superficie del Sol. Sin embargo, estas erupciones no se deben al viento (como ocurre con los tornados de la Tierra), sino que se producen debido al potente campo magnético del Sol.

El vídeo fue grabado en el rango del ultravioleta extremo, lo que le da a la película un tinte amarillento. En ella podemos ver cómo las partículas que constituyen el plasma giran y se mueven de un  lado a otro debido a las distintas fuerzas magnéticas a las que son sometidas. En realidad, su movimiento marca las líneas del campo magnético. En el vídeo, el material plasmático más frío aparece como manchas más oscuras sobre un fondo brillante.

Solar tornado
Representación artística de los tornados solares, por M. Alesmo.


La NASA ha publicado este vídeo en el segundo aniversario de la misión espacial SDO. El observatorio solar costó unos 850 millones de dólares y tendrá una duración aproximada de cinco años. Los vídeos que graba ayudarán a los astrónomos a comprender mejor cómo los cambios en el ciclo solar pueden afectar la vida en la Tierra.

Estos ciclos solares (uno de los componentes de las variaciones solares) duran unos 11 años. El actual se conoce como Ciclo Solar 24 y alcanzará su máximo (de brillo y manchas solares) en 2013. Las variaciones solares pueden tener un efecto en el clima de la Tierra; cómo de grande es tal efecto es lo que tal vez nos diga esta misión.

Fuente:
goo.gl/az4zL

sábado, 10 de marzo de 2012

Diagnóstico sin dolor mediante la luz

Los enfermos de diabetes saben lo que es tener que pincharse con frecuencia para extraer muestras de sangre. Cierto que no es un dolor insoportable, pero, ¿qué tal si hubiera otro método bastante más inocuo usando luz infrarroja? ¿Verdad que sería una ventaja?

Pues parece que no estamos tan lejos de ello. Se trata de una técnica basada en irradiar el tejido subcutáneo rico en glucosa con luz del infrarrojo cercano y analizar los espectros de los fotones dispersados inelásticamente. Estos espectros se corresponden de forma única con los modos vibracionales de una molécula, siendo así capaces de identificarla.

La luz dispersada por el tejido se alinea gracias a un elemento óptico reflectante, hueco y de forma parabólica, antes de pasar por un filtro que separa los fotones dispersados elásticamente de los que lo hacen de manera inelástica. El problema era que se requerían elementos ópticos demasiado grandes para que fueran realmente prácticos, ya que un filtrado eficiente requiere un alto grado de alineación.

Ahora un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) ha desarrollado un elemento hiperbólico que, acoplado a una lente de enfoque a la salida, es capaz de proporcionar el mismo efecto de filtrado que un elemento parabólico cinco veces más largo. De hecho, la luz que se refleja en la cámara hiperbólica permite localizar virtualmente una fuente puntual lejana cuyos rayos están menos dispersados cuando salen por la lente de enfoque.

De este modo, los resultados de la medida de glucosa obtenidos con este aparato pueden equipararse a los obtenidos con el método de la punción de la yema del dedo. Los investigadores dicen que su aparato se puede hacer aún más pequeño mediante la optimización del sistema óptico y electrónico del mismo. Además, se puede usar para detectar otras biomoléculas o para observar procesos químicos industriales.

Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v64/i12/p23_s3

miércoles, 7 de marzo de 2012

Cirugía tumoral guiada por imágenes

Cuando se trata de extirpar tumores, cualquier aparato que mejore la apreciación de los bordes del tumor durante la operación es un gran avance. Y eso es lo que hace el nuevo sistema que han ideado H. Jiang (de la Universidad de Florida, Gainesville) y L. Yang (de la Universidad de Emory, Atlanta) basado en la tomografía molecular de fluorescencia (o FMT por sus siglas en inglés), aunque aún está en fase de prueba.

Las técnicas más conocidas, como la tomografía de resonancia magnética (TRM) y la tomografía computarizada (TC), pueden proporcionar una imagen del tumor maligno antes de la operación, pero ninguna de ellas puede usarse durante la operación. En cambio, el aparato de Gainesville-Emory está pensado para utilizarse en el quirófano, lo que permitiría que el cirujano pudiera ver el contorno del tumor mientras opera, evitando así dañar tejido sano.

Al paciente (o, de momento, al ratón de laboratorio) se le inyecta una dosis de nanopartículas que se adhieren a la superficie del tumor y emiten fluorescencia en el infrarrojo cercano. El problema es que los fotones con esas frecuencias, aunque pueden penetrar hasta un centímetro en el tejido, se dispersan enormemente, lo que dificulta el escaneado del tumor. Para poder formar una imagen tridimensional útil, hay que emplear un escáner sensible y compacto que sea capaz de enfocar el tumor desde varios ángulos, para luego reconstruir la imagen con un algoritmo sofisticado.

Con este fin, el escáner de Gainesville-Emory consiste en 25 fibras ópticas agrupadas como un puñado de lápices. Diez de las fibras envían luz (en el espectro del infrarrojo cercano) al objetivo; las otras quince recogen la luz fluorescente que proviene del objetivo y la envían a un detector de CCD. Al mover las fibras sobre el objetivo, se obtiene la imagen. En una prueba reciente, el escáner de FMT proporcionó imágenes de tumores que estaban a 5 mm por debajo de la piel de un ratón, con una precisión lateral de 0.5 mm y axial de 1.5 mm.

Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v64/i12/p23_s2

sábado, 3 de marzo de 2012

Material inspirado en las alas de la mariposa

Cuanto más observamos la naturaleza, tanto más entendemos lo mucho que aún podemos aprender de ella. Por ejemplo, las alas del macho de la mariposa Ulises o de montaña azul (Papilio ulysses) presentan unas nanoestructuras que han inspirado a los científicos (S.-H. Yun et ál., Appl. Phys. Lett.) a crear una oblea de silicio que repele el agua y apenas refleja la luz.

Las alas de la mariposa tienen unas estructuras en varias capas que crean múltiples trampas para el aire y la luz. El aire atrapado en una superficie rugosa reduce significativamente el arrastre en un líquido que se mueve, propiedad que se conoce como superhidrofobia. El problema es que las superficies artificiales superhidrófobas suelen ser inestables (debido a flujos capilares y a otras perturbaciones externas), por lo que rápidamente pierden el aire atrapado. No obstante, Sang-Ho Yun y su equipo han tomado una oblea de silicio de diez centímetros, la han perforado creando microporos y han construido nanoconos en los bordes de los poros. El proceso les ha llevado unos diez minutos y el material es capaz de permanecer estable durante un año.
Butterfly Ulysses
Reproducción hecha por el artista del material, en el que el tamaño entre los picos es 1 μm aproximadamente. También puede verse un dibujo de la mariposa Ulises.

Las gotas de agua rebotan en la superficie, mientras que una fina neblina se va convirtiendo en gotas esféricas que acaban cayendo del material. Además, es capaz de absorber casi perfectamente luz con longitudes de onda mayores de 750 nanómetros. Estas dos propiedades juntas son bastante prometedoras para aparatos electroópticos integrados, como células fotoeléctricas, detectores de imagen infrarroja, aparatos de cultivo celular y sensores químicos.

Fuente: http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i1/p17_s1
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