De cómo llegamos hasta los Quarks

La técnica de la interferometría de muy larga base a longitudes de onda milimétricas (mm-VLBI) ha permitido obtener imágenes de los motores centrales de las galaxias activas con una resolución angular de decenas de microsegundos de arco. Para aquellos objetos más cercanos (M87, SgrA) se obtienen resoluciones lineales del orden de las decenas de Radios de Schwarzschild, lo que permite estudiar con detalle único la vecindad de los agujeros negros  super-masivos.

                      Imagem cedida por Diamond Light Source

Acelerador de partículas construido en las instalaciones del Diamond Ligth Source en Oxfordshire (Inglaterra). Llamado la Fuente luminosa de diamante, el Diamond synchrotron comenzó a funcionar en enero de 2007. La luz que puede generar este artefacto es 100 mil millones de veces más brillante que un rayo X estándar médico.

Un acelerador de partículas (como todos sabemos) es, a grandes rasgos, una máquina que mediante campos electromagnéticos acelera partículas hasta que alcanzan velocidades inimaginables. Luego, por ejemplo, hacen chocar estas partículas y así se consigue saber de qué está formada la materia en sus partes más diminutas (mucho más diminutas que un átomo). Eso es lo que hace el LHC.

Sin embargo, en el caso de este acelerador, los científicos esperaban usar la luz del Diamond synchrotron para “leer” los textos antiguos que han sufrido el daño significativo. Porque los potentes rayos X permitirán hacerlo sin ni siquiera abrir el libro. El synchrotron emite un rayo X tan poderoso que, al incidir en una voluta, permite producir una imagen de 3-D del texto.

La técnica ya había sido aplicada satisfactoriamente en textos escritos con la tinta de hierro, que los escribanos comenzaron a usar en el siglo XII. Algunas de las tintas hechas con extractos vegetales y sales de hierro utilizadas en el Siglo XII deterioran el tipo de pergamino utilizado, imposibilitando la lectura de documentos valiosos. Simplemente he querido incluir esta introducción para que os hagais una idea de hasta donde puede llegar nuestro ingenio.

                                                                       (ilustración de un nano robot)

Si hablamos de nuevos inventos en los campos más diversos, nos podríamos sorprender de lo que se ha conseguido en los últimos años que, desde  una “mano robótica” capaz de realizar toda clase de movimientos, “El sexto sentido”, una interfaz gestual portable que permite la interacción entre los gestos y los movimientos naturales del cuerpo humano con una computadora,  o, un Implantes de retina, que devuelve la visión a pacientes con degeneración macular y ceguera mediante implantes microelectrónicos. Entre los últimos inventos dedestaca una variedad de plástico hecha con orina de cerdo y lentes de contacto biónicos. Se inventa un proceso capaz de cultivar parte de un corazón humano a partir de células madre, una máquina que puede imprimir una novela completa de 300 páginas en tan solo 3 minutos y por un costo ínfimo, una batería que funciona con cualquier solución azucarada y enzimas de digestión de glucosa capaz de extraer electrones que crean electricidad…

Las nuevas tecnologías y los inventos que se están produciendo en el siglo XXI, harían abrir la boca por el asombro a los filósofos naturalistas del pasado que trataban de profundizar en el conocimiento de la Naturaleza. Ellos fueron los que pusieron las primeras piedras del Edificio que hoy, llamamos Ciencia.

Corazones e Hígados artificiales, el guante de braille para ciegos, o, yendo más allá…

Un “Diente telefónico”. Se trata de un minúsculo implante que se coloca en el diente molar y que mediante un complejo sistema de señales y vibraciones permite recibir llamadas telefónicas. Tejido artificial nanotecnológico, Parche hormonal anticonceptivo, o, esa invención que hace posible que con una pequeña gota nos permite descubrir si en una bebida se ha vertido alguna de las llamadas “drogas del depredador” como las GHB o la Ketamina. Estas drogas suelen utilizarse por violadores y secuestradores pues facilitan dicho crimen al desinhibir a la víctima. El “Motor a nanoescala”, lo suficientemente pequeño como para viajar en la espalda de un virus. Un dispositivo que administra medicamentos a través de ondas sonoras que sustituyen las inyecciones, siendo igual de efectivas. Plástico inteligente capaz de modificar su estructura ante la exposición de determinadas longitudes de onda. Un dispositivo móvil creado por Aqua Sciences que permite beber agua del aire. ¿Os imagináis lo que supondrá eso en la travesía de un desierto? INSCENTINEL inventa un sistema de entrenamiento para que abejas sean capaces de detectar bombas y explosivos.

                             Las cosas no llegaron por arte de magia… ¡muchas ideas hicieron falta!

Ahora miramos a nuestro alrededor y todo lo que vemos que ocurre nos parece lo normal, que las cosas son así. Sin embargo, habría que pensar -por ejemplo, en el ámbito de la física de partículas- que, el diluvio de estructuras sub-nucleares que desencadenó “el acelerador”  de partículas, fue tan sorprende como los objetos celestes que descubrió el telescopio de Galileo. Lo mismo que pasó con la revolución galileana, con la venida de los aceleradores de partículas, la Humanidad adquirió unos conocimientos nuevos e insospechados acerca de cómo era el mundo, la naturaleza de la materia.

Que en este caso de los aceleradores se refería al “espacio interior” en lugar de al “espacio exterior” no los hacía menos profundos ni menos importantes. El descubrimiento de los microbios y del universo biológico invisible por Pasteur fue un descubrimiento similar y, ya puestos, haremos notar que pocos se acuerdan ya de Demócrito, aquel filósofo sontiente que, tomó prestado de los antiguos hindúes, la idea del á-tomo, la expresión “más pequeña de la materia” que era “indivisible”.

Ahora sabemos que Demócrito estaba equivocado y que el átomo, sí se puede dividir. Sin embargo, él señaló un camino y, junto a Empédocles, el que hablaba de “elementos” como agua, aire, fuego y tierra, para significar que eran los componentes, en la debida proporción de todo lo que existía…, junto a otros muchos, nos han traído hasta aquí. Así que, los inventos que antes se mencionaban, no han llegado porque sí, ha sido un largo camino, mucha curiosidad y mucho trabajo y, no lo olvidemos: ¡Observar, Imaginar y Experimentar!

Nos dimos cuenta y estaba claro que la búsqueda de la menor de las partículas requería que se expandiese la capacidad del ojo humano: primero lupas, después microscopios y, finalmente… ¡Aceleradores! que, utilizando energías inimaginables ( 14 TeV), nos llevaría hasta las entrañas de la materia que tratamos de conocer.

Todos estos experimentos en los aceleradores han posibilitado muchos de los avances que hoy día conocemos en los distintos campos del saber humano. Generalmente, cuando se habla de aceleradores de partículas, todos piensan en el Bosón de Higgs y cosas por el estilo. Sin embargo, las realidades prácticas de dichos ingenios.

“La “gran ciencia” (big science) genera tecnología, tecnología punta, genera industria, mucha industria, genera riqueza. Los grandes aceleradores de partículas, como el LHC del CERN, son ejemplos perfectos de ello. La tecnología de aceleradores de partículas ha permitido desarrollar dispositivos de implantación iónica que se utilizan para la fabricación de mejores semiconductores, para la fabricación prótesis de rodilla más duraderas, para la fabricación de neumáticos menos contaminantes, para el desarrollo de nuevas terapias contra el cáncer. Esto último gracias a que lo último de lo último en superimanes superconductores está en los grandes aceleradores. Esta tecnología ha permitido desarrollar y permitirá mejorar los potentes imanes necesarios en el diagnóstico clínico (como en resonancia magnética nuclear) y para terapias contra el cáncer basadas en haces de protones. Nos lo cuenta Elizabeth Clements, en “Particle physics benefits: Adding it up,” Symmetry, dec. 2008″ (Francis (th)E mule Science’s News).

Beneficios de la investigación básica en Física de Partículas: La tecnología desarrollada en los aceleradores de partículas tiene beneficios indirectos para la Medicina, la Informática, la industria o el medio ambiente. Los imanes superconductores que se usan para acelerar las partículas han sido fundamentales para desarrollar técnicas de diagnóstico por imagen como la resonancia magnética. Los detectores usados para identificar las partículas son la base de los PET, la tomografía por emisión de positrones (antipartícula del electrón). Y muchos hospitales utilizan haces de partículas como terapia contra el cáncer.

Describe la propiedad de un núcleo atómico para girar sobre su eje como un trompo, transformándolo en un pequeño imán. Los núcleos atómicos de hidrógeno, …  La imagenología es la rama de la medicina que trata del diagnóstico morfológico empleando diferentes modalidades de visualización del cuerpo humano basado en imágenes obtenidas con radiaciones ionizantes u otras fuentes de energía,  así como procedimientos diagnósticos y terapéuticos. Los equipos de imagenología requieren instalaciones especiales, como obra civil, instalación eléctrica, jaulas de Faraday, clima controlado, entre otras para llegar en forma rápida y segura a la detección de muchas enfermedades.

Con velocidades 10.000 veces mayor que una conexión típica, “The Grid” podrá enviar un catálogo completo de información desde Gran Bretaña a Japón en menos de 2 segundos. Esta red, creada en el centro de física de partículas CERN, puede proveer el poder necesario para transmitir imágenes holográficas; permitir juegos en línea con cientos de miles de personas, y ofrecer una telefonía de alta definición en video al precio de una llamada local.

Así, la World Wide Web (WWW), el ‘lenguaje’ en el que se basa Internet, fue creado en el CERN para compartir información entre científicos ubicados alrededor del mundo, y las grandes cantidades de datos que se producen motivan el desarrollo de una red de computación global distribuida llamada GRID. Los haces de partículas producidos en aceleradores tipo sincrotrón o las fuentes de espalación de neutrones, instrumentos creados para comprobar la naturaleza de la materia, tienen aplicaciones industriales en la determinación de las propiedades de nuevos materiales, así como para caracterizar estructuras biológicas o nuevos fármacos. Otras aplicaciones de la Física de Partículas son la fabricación de paneles solares, esterilización de recipientes para alimentos o reutilización de residuos nucleares, entre otros muchos campos.

También en el campo de la Astronomía, el LHC, nos puede ayudar a comprender cosas que ignoramos. Nos hemos preguntado sobre la existencia de estrellas de Quarks-Gluones, y, sobre el tema, algo nos ha dicho ya el Acelerador Europeo de Partículas que trata de llegar hasta “la materia oscura” y algunos otros enigmas que nos traen de cabeza.

No es extraño encontrarnos una mañana al echar una mirada a la prensa del día, con noticias como éstas:

Colisión de iones pesados registrada por el experimento ALICE. (Imagen: CERN.)

El acelerador europeo ha obtenido plasma de quarks–gluones, el primer estado de la materia tras el Big Bang.

“No todo son bosones de Higgs en las instalaciones del CERN. Aún hay muchas preguntas sobre el Universo y sus partículas que se pueden responder a base de colisiones de alta energía. Y en eso, el LHC es el mejor. Un grupo de investigadores del consorcio europeo ha realizado nuevas mediciones de la que creen que es el primer tipo de materia que hubo durante los instantes iniciales del universo. El plasma de quarks–gluones.

Los quarks y los gluones son, respectivamente, los ladrillos y el cemento de la materia ordinaria. Durante los primeros momentos tras el Big Bang, sin embargo, no estaban unidos constituyendo partículas —como protones o neutrones— sino que se movían libremente en estado de plasma. A base de colisionar iones de plomo —que es un átomo muy pesado— a velocidades cercanas a las de la luz, el LHC pudo recrear durante pequeños lapsos de tiempo las que se creen fueron las condiciones de los primeros momentos del universo.

El plasma de quarks–gluones es extremo y efímero. Por eso los investigadores han tenido que analizar los resultados de más de mil millones de colisiones para obtener resultados significativos.”

Eventos de colisión de 7 TeV visto por el detector LHCb. El experimento del LHCb en el LHC está bien ubicado para explorar el misterio de la antimateria. Crédito: LHC, CERN. Ya sabéis que, durante muchos años, la ausencia de antimateria en el Universo ha atormentado a los físicos de partículas y a los cosmólogos: mientras que el Big Bang debería haber creado cantidades iguales de materia y antimateria, no observamos ninguna antimateria primordial hoy en día. ¿Dónde ha ido? Los experimentos del LHC tienen el potencial de dar a conocer los procesos naturales que podrían ser la clave para resolver esta paradoja.

Cada vez que la materia es creada a partir de energía pura, se genera la misma cantidad de partículas y antipartículas. Por el contrario, cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan mutuamente y producen luz. La antimateria se produce habitualmente cuando los rayos cósmicos chocan contra la atmósfera de la Tierra, y la aniquilación de materia y antimateria se observa durante los experimentos de física en los aceleradores de partículas.

Equipos de físicos en todo el mundo siguen analizando datos. Aquellas primeras colisiones de protones a la alta energía prevista de 7 Teraelectronvoltios (TeV), una potencia jamás alcanzada en ningún acelerador antes, nos puede traer noticias largamente esperadas y desvelar misterios, contestar a preguntas planteadas y, en definitiva, decirnos cómo es la Naturaleza allí, donde el ojo humano no puede llegar pero, si la inteligencia.

Lo cierto es que, todos tenemos que convenir en el hecho cierto de que, el LHC es el mayor experimento físico de la historia de la Ciencia y que, de seguro, nos dará la oportunidad de comprender muchas cuestiones que antes se nos aparecían oscuras e indistinguibles entre la bruma de esa lejanía infinitesimal de la cuántica. Ahora, tenemos una herramienta capaz de llevarnos hasta aquellos primeros momentos en los que se construyó la historia del universo y, si podemos, de esta manera “estar allí”, veremos, con nuestros propios ojos lo que pasó y por qué pasó de esa manera.

Toda esta larga exposición de temas, de alguna manera conectados, viene al caso para dejar claro que, aquellos detractores del LHC, no llevaban la razón y, sus protestas no tenían un contenido científico. El Acelerador de Partículas que llamamos abreviadamente LHC, nos ha dado y nos seguirá dando, muchos beneficios para toda la Humanidad.

emilio silvera

        “Miles de especies viven en un lago subterráneo al que la luz y el aire no han llegado en millones de años.”

Bajo los hielos de la Antártida hay vida en abundancia. Lo acaba de demostrar una expedición norteamericana, llamada Wissard (Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling), formada por investigadores de varias universidades y que esta semana ha publicado en Nature sus primeras conclusiones. Bajo una capa de hielo de más de 800 metros de grosor, los científicos han encontrado todo un ecosistema viviendo en un lago subterráneo al que la luz y el aire no han llegado en millones de años.

Las formas de vida descubiertas son microorganismos unicelulares que para subsistir convierten amoniaco y metano en energía. La mayor parte de estos organismos pertenecen al dominio de las Arqueas, en el que se encuentran los seres vivos más antiguos del planeta. La investigación tiene implicaciones para la búsqueda de vida en otros ambientes extremos, tanto en la Tierra como en otros mundos del Sistema Solar.

Para John Priscu, profesor de la Universidad de Montana y jefe científico de la expedición Wissard, “ahora podemos probar al mundo de forma inequívoca que la Antártida no es un continente muerto”. El estudio, en efecto, aporta las primeras pruebas directas de que la vida es capaz de resistir en las más duras condiciones del ambiente sub-glacial.

Brent Christner, otro de los autores del estudio, afirma que se trata de la primera prueba definitiva de que bajo la capa de hielo antártico “no solo hay vida, sino ecosistemas activos que hemos estado buscando durante décadas. Con este trabajo damos un golpe sobre la mesa y afirmamos: šSí, teníamos razón”.

Priscu, por su parte, asegura no estar del todo sorprendido de que el equipo haya logrado encontrar por fin vida tras perforar más de 800 metros de hielo hasta llegar al lago subglacial Whillans. No en vano, se trata de un investigador experimentado y que ha trabajado tanto en el Polo Norte como en el Polo Sur. Este otoño, en efecto, cumplirá su campaña número 30 en la Antártida, y hace mucho que predijo este descubrimiento.

                 Aunque nos parezca imposible, bajo los hielos Antárticos, la vida estará presente

Hace ya más de una década, Priscu publicó dos artículos en Science describiendo por primera vez cómo la vida microbiana podría vivir y multiplicarse bajo los hielos de la Antártida. Y hace cinco años, publicó otro artículo en el que predijo que el ambiente subglacial antártico podría albergar el humedal más extenso de toda la Tierra, uno que no estaría dominado por aves y otros animales, sino por microorganismos que utilizan los minerales de las rocas heladas para obtener la energía que necesitan para vivir.

Durante la última década, Priscu se ha dedicado a recorrer el mundo dando conferencias sobre lo que podríamos encontrar bajo la Antártida, y recaudando fondos para una expedición que podría cambiar para siempre nuestra visión sobre el mayor continente del planeta.

                                      Microbios que viven a 800 metros bajo el Hielo

Sin embargo, Priscu sí que se muestra muy excitado con respecto a varios detalles del hallazgo, especialmente en la forma de funcionar de estos organismos, sin luz solar y a temperaturas muchos grados bajo cero, y al hecho de que la mayoría de ellos, tal y como revelan los análisis de ADN, sean Arqueas. Arquea es uno de los tres dominios principales de la vida. Los otros dos son Bacteria y Eukariota.

La mayoría de las arqueas subgaciales encontradas utilizan la energía de los enlaces químicos del amoniaco para fijar el dióxido de carbono y llevar a cabo otras funciones metabólicas. Otro grupo de organismos utilizan la energía y el carbono presente en el gas metano para sobrevivir. Para Priscu, probablemente todo este amoniaco y metano procedan de la descomposición de materia orgánica que se depositó en la zona hace cientos de miles de años, cuando la Antártida era aún templada y el mar inundó la parte occidental del continente.

Las emisiones de metano del Ártico este mes se registraron en niveles históricos-altos, causando gran preocupación entre los climatólogos, que citan fusión rápida del hielo marino y el calentamiento del océano Ártico como las principales causas.

También advierte el investigador de que si la Antártida continúa calentándose, se liberarán a la atmósfera enormes cantidades de metano acumulado en el hielo, un poderoso gas de efecto invernadero capaz de acelerar dramáticamente el cambio climático.

El equipo de científicos también demostró que los microorganismos que viven en el lago Whillans no pueden ser fruto de la contaminación de los materiales de los propios científicos, tal y como se sospecha que ocurrió con los hallados en el lago sub-glacial de Vostok. Los escépticos, por su parte, apoyan esta posibilidad y sugieren que los microorganismos encontrados son los que llevaban consigo los propios investigadores.

“Hemos llegado hasta el extremo -asegura Priscu- para garantizar que no hemos contaminado en absoluto uno de los ambientes más puros y prístinos del planeta y que nuestras muestras tienen la máxima integridad”.

4.000 especies

En cuanto a las especies encontradas, resulta muy difícil su identificación, pero, afirma Christner por su parte, “hemos visto una columna de agua que probablemente tiene unas 4.000 “cosas” que podríamos llamar especies. Existe una increíble diversidad”.

El equipo de Wissard volverá a perforar durante el próximo verano austral. Wissard es el primer esfuerzo multidisciplinar a gran escala para examinar directamente la biología del ambiente sub-glacial antártico. La masa de hielo de la Antártida cubre una superficie equivalente a una vez y media la de los Estados Unidos y contiene el 70% del agua dulce de la Tierra.

Muy por debajo de la gruesa capa de hielo que cubre la Antártida, hay lagos de agua dulce sin una conexión directa con el océano. Estos lagos son de gran interés para los científicos, que tratan de entender el transporte de agua y la dinámica del hielo bajo la superficie congelada del continente.

El lago Whillans es uno de los más de 200 lagos que se conocen bajo la superficie del continente helado y el río subterráneo que lo alimenta fluye bajo la plataforma de Ross, una masa de hielo del tamaño de Francia, y desemboca en el océano, a gran profundidad, al que proporciona grandes cantidades de nutrientes y contribuye a la circulación de las corrientes marinas.

Y, a todo ésto, digo Yo:

¡No conocemos ni nuestra propia casa… ¡Y queremos viajar hacia las lejanas estrellas! ¡Ilusos!

Publica: emilio silvera