Las mejores noticias de física del 2014 (III/III)

(Este artículo es continuación de Las mejores noticias de física del 2014 (II/III). Te recomiendo que lo leas primero).

La amenaza de propagación del ébola
Cuando el virus del Ébola empezó a hacer estragos en el África Occidental y creció la preocupación de su posible propagación, los científicos comenzaron a investigar su transmisión. El físico Alessandro Vespignani (Universidad Northeastern de Boston, Massachussets) utilizó modelos informáticos para simular el movimiento de la gente a través del mundo y las formas en que la enfermedad podría propagarse. Su alarmante conclusión en agosto fue que, si no se hacía nada, decenas de miles de personas podrían infectarse en unos meses. Afortunadamente, se está haciendo mucho para combatir el brote; y según los datos, de momento el número de muertes se ha mantenido en algo más de 6000.

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Premios Nobel
A pesar de no ganar el premio Nobel en su propio campo, a los físicos les fue bien en octubre. El premio de física lo ganaron dos ingenieros y un físico de materiales (uno de Estados Unidos y dos de Japón), por su trabajo en el desarrollo del led azul. Después del rápido invento de los ledes rojo y verde, se tardó casi veinte años en producir un led azul eficiente. Al día siguiente, dos físicos de Estados Unidos y uno de Alemania ganaron el premio de química por el desarrollo de la microscopía de fluorescencia de superresolución, lo que rebaja los límites de la microscopía óptica hasta la escala nanométrica.

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Exploración espacial
Este otoño pasado, la exploración interplanetaria fue el centro de atención de las agencias espaciales mundiales. En octubre, la India colocó con éxito un pequeño satélite en la órbita de Marte, siendo solo la cuarta agencia espacial en hacerlo y de forma más económica que cualquiera de las otras misiones a Marte hasta la fecha.

En noviembre, la sonda espacial Rosetta de la Agencia Espacial Europea (ESA) lanzó su pequeño módulo Philae sobre la superficie del cometa 67P/Churiumov-Guerasimenko, pero su vida de funcionamiento se acortó cuando el módulo rebotó, saliéndose de la zona de aterrizaje planeada y cayendo en un cráter a la sombra. Sin poder usar sus paneles solares, la batería de repuesto se descargó, pero no antes de que el módulo llevara a cabo el 80-90% de su misión científica. Parte de esos datos llevaron a la conclusión de que el contenido isotópico de las moléculas de agua del cometa no coincidía con el de la Tierra. Así que se volvía a plantear la cuestión sobre el origen del agua de nuestro planeta.

Finalmente, en diciembre, la NASA lanzó un prototipo de Orión, su nueva nave espacial diseñada para llevar astronautas a una órbita terrestre baja y también más allá.

Representación de cómo se planeó el anclaje del módulo Philae al cometa.  
[Imagen original de DLR, CC-BY 3.0 [CC BY 3.0 de], via Wikimedia Commons]

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Acelerador de sobremesa
En diciembre, científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley anunciaron un nuevo récord mundial para un acelerador de partículas compacto. El equipo utilizó un acelerador de plasma mediante láser para proporcionar a los electrones una energía de hasta 4,25 GeV. Aunque no es tan potente como el Gran Colisionador de Hadrones, el pequeño acelerador BELLA puede hacer en aproximadamente un metro lo que el CERN hace en 1000 metros. Se espera que esta nueva tecnología de aceleradores compactos marque un nuevo camino para futuras generaciones de colisionadores de partículas.

Y hasta aquí este resumen de noticias de física del 2014. Espero que el científico dentro de ti haya disfrutado.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201501/stories.cfm

La temperatura más alta

En el Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL por sus siglas en inglés), un grupo de físicos han hecho colisionar iones de oro para producir un plasma de quarks y gluones como el que existía en los primeros instantes después del big bang que dio origen al universo. Y en el proceso, han producido la temperatura más alta generada por el hombre: 4 billones de grados centígrados, aproximadamente 250 000 veces la temperatura del interior del Sol.

Los quarks son partículas elementales, componentes de otras partículas subatómicas, como el protón y el neutrón, y que no aparecen de forma aislada. La fuerza que los mantiene unidos* proviene del intercambio de gluones, que son bosones de masa nula.

En las primeras diezmillonésimas de segundo después del big bang, el universo consistía en lo que ahora se conoce como plasma de quarks y gluones, pero en seguida se condensó en la materia que ahora conocemos.

Los científicos han estado intentando recrear las condiciones del big bang para poder comprender mejor cómo se originó el universo. Para ello, en Brookhaven tienen un gran acelerador de partículas, el Acelerador Relativista de Iones Pesados  (RHIC por sus siglas en inglés), que consiste en un anillo de 3,8 km de circunferencia en el que los iones pueden ser acelerados a velocidades cercanas a la de la luz.

En un experimento llamado PHENIX, se aceleran iones de oro en ambos sentidos del interior del anillo para acabar haciéndolos colisionar en una de las seis cámaras experimentales del acelerador. El equipo pudo así observar brevemente la formación del plasma de quarks y gluones, un fluido prácticamente carente de rozamiento con una temperatura de 4 billones de grados centígrados.

No obstante, el récord no va a durar mucho. Los físicos del Gran Colisionador de Hadrones, en Europa, han producido un plasma con una densidad de energía tres veces mayor que la generada en RHIC, lo que equivaldría a un 30% más de temperatura.
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Fuente:
http://www.latimes.com/news/science/sciencenow/la-sci-sn-highest-temperature-20120627,0,6805428.story

* Llamada interacción (nuclear) fuerte.

La radiación y los alimentos

La radiación y la comida parece que son temas que no deberían ir juntos. Sin embargo, no se ha demostrado que los niveles de radiación capaces de controlar de forma efectiva los gérmenes tengan efectos dañinos para los seres humanos. El propósito de irradiar los alimentos es mejorar su calidad: se pueden eliminar los gérmenes patógenos, así como aumentar su atractivo estético. En general, la radiación rompe el ADN de una célula; y si ésta es incapaz de reparar tal lesión, muere.

La radiación empleada en los alimentos puede consistir en fotones (rayos gamma o rayos X) o electrones altamente energéticos. Los rayos gamma se pueden producir a partir de isótopos radiactivos como el cobalto 60 o el cesio 137, pero hacen falta aceleradores para generar haces de electrones y rayos X. En principio, todos estos haces pueden provocar excitaciones nucleares que den como resultado subproductos radiactivos; pero las energías que se emplean para irradiar alimentos* son demasiado bajas para inducir radiactividad.

El efecto de la radiación en los alimentos está relacionado con la cantidad de radiación ionizante absorbida, que se mide en grays (Gy)**. Dosis de menos de 1 kGy impiden los brotes en las patatas y retrasan la maduración de las frutas; también sirven para desinfectar los alimentos mediante la eliminación de insectos en cereales y frutas y la desactivación de parásitos en las carnes, como la triquinosis.

Dosis de 1-5 kGy sirven para pasteurizar alimentos. La pasteurización por radiación*** reduce significativamente o elimina bacterias en los alimentos, como la salmonela, la Listeria monocytogenes y la Escherichia coli O157:H7. Sin embargo, los organismos responsables de que la comida se eche a perder no son tan sensibles a la radiación, por lo que los alimentos pasteurizados por radiación todavía necesitan ser refrigerados. Sólo una dosis de más de 25 kGy puede esterilizar los alimentos, como nos podrían contar los astronautas. Aquí en la Tierra, los alimentos se podrían conservar a temperatura ambiente, como los productos enlatados.

Pero, los alimentos así tratados, ¿se pueden consumir de forma segura? Y su calidad, ¿se ve alterada?, ¿pierden cualidades? Podrás hallar la respuesta en La radiación, los alimentos y tú.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i2/p66_s1

* Niveles energéticos aprobados por la Agencia de Alimentos y Medicamentos (FDA) de Estados Unidos.
** Un gray es una dosis absorbida de un julio por kilogramo de material.
*** Algunos lo llaman radurización.

AMS para datación en arqueología

(Te recomiendo que te leas antes los artículos Aceleradores, arte y arqueología y PIXE en el mundo del arte.)

La espectrometría de masas con aceleradores (AMS por sus siglas en inglés), al igual que la espectrometría de masas convencional, identifica un radionúclido (núclido inestable) específico separándolo de otros isótopos con diferentes relaciones masa/carga. Pero en la AMS, un acelerador proporciona energía a los iones liberados de la muestra. Estos iones altamente energéticos se pueden tratar con las técnicas de física nuclear que detectan, por ejemplo, el tiempo de vuelo, la energía E, el poder de frenado (la velocidad dE/dx de atenuación de la energía con la distancia x cuando una partícula atraviesa un medio) y la posición en un plano focal. Tal información determina el número másico A y el número atómico Z de un isótopo, a la vez que permite la identificación de un isótopo específico, incluso si se encuentra en un fondo isotópico (misma Z) e isobárico (misma A) que puede ser hasta 16 órdenes de magnitud mayor.

La espectrometría de masas con aceleradores es ahora la herramienta más popular para la datación de artefactos arqueológicos. Y en parte es debido a que el método requiere sólo una pequeña cantidad de material para obtener una precisión excepcional. Ejemplos famosos de la datación con AMS son la Sábana Santa de Turín y Ötzi, una momia natural descubierta en 1991 en la frontera entre Austria e Italia. En ambos casos, se usaron muestras que no pesaban más de unas decenas de miligramos y fueron fechadas mediante la desintegración del carbono 14. De hecho, el grado de precisión que proporciona la datación de carbono 14 mediante AMS está ahora inspirando el desarrollo de sistemas cada vez más pequeños y de más fácil manejo.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i1/p58_s1

PIXE en el mundo del arte

(A modo de introducción, puedes leer el artículo Aceleradores, arte y arqueología.)

Cuando un haz de protones interacciona con el material de una muestra, puede liberar electrones atómicos de capas internas. A medida que otros electrones se relajan y llenan el hueco, emiten radiación electromagnética, mayoritariamente rayos X, que es característica de cada elemento. De este modo, la técnica de Emisión de Rayos X Inducida por Partículas (PIXE por sus siglas en inglés) es un método de análisis atómico que nos permite llegar a conocer la concentración de los elementos en la superficie de la muestra. Variando la energía del haz se puede profundizar en la muestra y los haces finos permiten un análisis puntual a nivel microscópico. Además, la relación señal/ruido es más baja que con otros métodos, como la fluorescencia de rayos X.

Aplicada al mundo del arte, PIXE ayuda a identificar la composición de pigmentos u otros materiales de una obra de arte. Por este motivo, cada vez tiene un mayor impacto en el análisis forense de supuestas falsificaciones. El análisis de monedas antiguas proporciona información sobre el proceso de acuñación y también da idea de los desarrollos económicos. Por ejemplo, la inflación durante el Imperio romano se refleja en una continua devaluación del denario de plata, pues se iba reemplazando gradualmente la plata por metales de menor valor.

Un caso bien conocido de cómo PIXE ayuda en la datación comparativa es el análisis de la tinta usada por Galileo Galilei en sus escritos y notas, en los que con frecuencia falta la fecha. Ese análisis ha llevado a una mejor comprensión de los procesos de pensamiento de Galileo y de su papel en la historia de la ciencia. Otro ejemplo es la secuencia de dibujos a punta de plata de Alberto Durero, que viajaba periódicamente a la corte imperial para recibir su estipendio anual. En esos viajes, usaba varillas de punta de plata, compradas en diferentes sitios, para dibujar paisajes locales o para grabar momentos e ideas que usaría después en sus pinturas. PIXE ha hecho posible la determinación del orden en que esos dibujos fueron hechos, lo que permite comprender mejor el desarrollo artístico de Durero.

Para conocer otra técnica con aceleradores, puedes leer el artículo AMS para datación en arqueología.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i1/p58_s1

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