Lo cierto es que la ciencia actual no puede explicar los rayos cósmicos de alta energía. Durante más de una década, los físicos japoneses han estado observando rayos cósmicos que no debieran existir. Los rayos cósmicos son partículas (en su mayoría protones, pero a veces también núcleos pesados completos) que viajan a través del universo a velocidades cercanas a la de la luz. Algunos rayos cósmicos detectados en la Tierra han sido producidos en eventos catastróficos tales como las supernovas, pero todavía no conocemos el origen de los rayos cósmicos de alta energía, que constituyen las partículas más energéticas de la naturaleza. Pero ese no es el verdadero misterio.

Los rayos cósmicos son partículas que llegan desde el espacio y bombardean constantemente a la Tierra desde todas las direcciones. La mayoría de estas partículas son núcleos de átomos o electrones. Algunas de ellas son más energéticas que cualquier otra partícula observada en la naturaleza. Los rayos cósmicos ultra-energéticos viajan a una velocidad cercana a la de la luz y tienen cientos de millones de veces más energía que las partículas producidas por cualquier acelerador en el mundo.

                          Posibles fuentes emisoras de rayos cósmicos

No conocemos ninguna fuente en el Cosmos que pueda producir partículas con estas energías, ni siquiera en las más violentas explosiones de estrellas.

De donde provengan, las partículas de alta energía mantienen secretos respecto de la evolución y posiblemente el origen del universo, debido al enigma de su enorme energía millones de veces mayores de lo que cualquier acelerador terrestre de partículas puede producir.

Hasta la fecha, el rayo cósmico más energético detectado tenía una energía de 10²⁰ electrón voltios (eV). Esta cifra supone una increíble energía diez millones de veces mayor de la que se habría producido en un acelerador de partículas. Dentro de este siglo, seguramente será difícil alcanzar, con nuestras máquinas energías aproximadas.

Aunque esta fantástica energía es todavía cien millones de veces menor que las energías necesarias para sondear la décima dimensión, se espera que energías producidas en el interior profundo de los agujeros negros en nuestra galaxia se acercaran a la energía de Planck.

Con grandes naves espaciales en órbita, deberíamos ser capaces (seremos) de sondear en lo más profundo de estas estructuras gigantescas de fuentes energéticas que, abundantemente, están repartidas a lo largo y ancho del Universo.

Según una teoría favorita, la mayor fuente de energía dentro de nuestra Galaxia (mucho más allá de cualquier cosa imaginable), está en el mismo corazón de la Vía Láctea, en el centro, a 30.000 – años – luz de nuestro Sistema Solar, y puede constar de millones de agujeros negros.

Imagen del centro de la Vía Láctea obtenido gracias al Observatorio de Rayos X ChandraNASA/CXC/MIT/F. BAGANOFF, R. SHCHERBAKOV ET AL.

“A 25.000 años luz de nuestro hogar en el extrarradio galáctico, el centro de la Vía Láctea bulle. Dominadas por un agujero negro monstruoso con cuatro millones de veces la masa del Sol, estrellas, enanas blancas y agujeros negros de menor tamaño se aprietan rodeadas de gas y polvo. O eso se suponía hasta ahora, porque la acumulación de objetos en la zona confundía a los astrónomos que tratan de averiguar lo que sucede en esa región clave de la galaxia.”

 

“El hallazgo lo realizaron después de analizar datos recogidos por el Observatorio Chandra de Rayos X. A partir de estos datos, los autores del trabajo creen que puede haber cientos de agujeros negros emparejados con otras estrellas a las que van robando materia, un proceso en el que se emiten rayos X y permite localizar el agujero negro. El número de agujeros negros aislados, casi imposibles de detectar, sería mucho mayor.”

        Los rayos cósmicos pueden ser generados por una buena cantidad de objetos cosmológicos

Imágenes de este mismo Blog.

En física nada se puede descartar, la inaccesibilidad de hoy a la energía de Planck se puede suplir por descubrimientos inesperados, poco a poco, nos lleve cada vez más cerca de ella, hasta que finalmente, tengamos el conocimiento y la tecnología necesarias para poder alcanzarla.

No olvidemos que, en el siglo XIX, algunos científicos declararon que la composición de las estrellas estaría siempre fuera del alcance del experimento, y, que la única manera que tendríamos de conocerlas sería la de mirar al cielo y verlas allí, inalcanzables como puntos de luz brillantes y lejanos en la oscuridad del vacío del cosmos. Sin embargo, podemos decir hoy, a comienzos del siglo XXI, año 2.006, que no solo podemos saber la composición de las estrellas, sino también como nacen y mueren, las distancias que los separan de nosotros y un sin fin de datos más.

                                              Las lunas Ganimedes y Europa

Particularmente creo que el ser humano es capaz de realizar todo aquello en lo que piensa dentro de unos limites racionales. Podremos, en un futuro no muy lejano, alargar de manera considerable la media de vida. Podremos colonizar otros planetas y explotar recurso mineros en las lunas de nuestro sistema solar, los turistas irán al planeta Marte o a las lunas Ganimedes o Europa. Los transportes de hoy serán reliquias del pasado y nos trasladaremos mediante sistemas de transportes más limpios, rápidos y exentos de colisiones. Tendremos computadoras de cifrado cuántico que harán más seguras las comunicaciones y el intercambio de datos será realmente el de la velocidad de c, así en todos los campos del saber humano.

Estamos inmersos en un avance exponencial, imparable.

Existen pruebas de que se viene hablando de él desde aquellos lejanos pensadores hindúes, de esas ideas se apropió Demócrito en la antigua Grecia, y, pasado el Tiempo llegó hasta nosotros en edades más modernas y con más medios. Sin embargo, no hace tanto tiempo que los físicos dudaron de su existencia.

Otro ejemplo de una idea “inverificable” la tenemos en la existencia del átomo. En el siglo XIX, la hipótesis atómica se reveló como el paso decisivo en la comprensión de las leyes de la química y la termodinámica. Sin embargo, muchos físicos se negaban a creer que los átomos existieran realmente, los aceptaban como un concepto o herramienta matemática para operar en su trabajo que, por accidente, daba la descripción correcta del mundo.

Cuanta mayor certeza se busca en determinar la posición de una partícula, menos se conoce su momento lineal y, por tanto, su masa y velocidad. En mecánica cuántica, la relación de indeterminación de Heisenberg o principio de incertidumbre establece la imposibilidad de que determinados pares de magnitudes físicas observables y complementarias sean conocidas con precisión arbitraria.

Hoy somos todavía incapaces de tomar imágenes directas del átomo debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, aunque ahora existen métodos indirectos. En 1.905, Einstein proporcionó la evidencia más convincente, aunque indirecta, de la existencia de átomos cuando demostró que el movimiento browniano (es decir, el movimiento aleatorio de partículas de polvo suspendidas en un líquido) puede ser explicado como colisiones aleatorias entre las partículas y los átomos del líquido.

“El movimiento browniano es el movimiento aleatorio que se observa en las partículas que se hallan en un medio fluido (líquido o gas), como resultado de choques contra las moléculas de dicho fluido.”

Por analogía, podríamos esperar la confirmación experimental de la física de la décima dimensión utilizando métodos indirectos que aún ni se han inventado o descubierto. En lugar de fotografiar el objeto que deseamos, quizá nos conformaríamos, de momento, con fotografiar la “sombra” del mismo.

También la existencia de los neutrinos, propuestos por Wolfgang Pauli en 1.930, para dar cuenta de la energía perdida en ciertos experimentos sobre radiactividad que parecían violar la conservación de la materia y la energía, también digo, era inverificable (en aquel momento). Pauli comprendió que los neutrinos serían casi imposibles de observar experimentalmente, porque interaccionarían muy débilmente y, por consiguiente muy raramente con la materia.

La materia, toda la materia, si profundizamos en ella a niveles microscópicos, podremos comprobar el hecho de que, en un 90% está constituida de espacios vacíos y, siendo así, los neutrinos pueden atravesarla sin rozar siquiera sus átomos, de hecho, pueden atravesar la Tierra como si ni siquiera existiera y, al mismo tiempo, también nosotros somos atravesados continuamente por billones de neutrinos emitidos por el sol, incluso por la noche.

Pauli admitió:”He cometido el pecado más grave, he predicho la existencia de una partícula que nunca puede ser observada”.

     Comportamiento termodinámico de los neutrinos en la formación de la proto-estrella de neutrones.

Pero incluso Pauli, con todos sus enormes conocimientos, se equivocaba, y el neutrino ha sido comprobado mediante distintos métodos que no dejan dudas de su existencia. Incluso producimos regularmente haces de neutrinos en colisionadores de átomos, realizamos experimentos con los neutrinos emitidos por reactores nucleares y, detectamos su presencia en enormes depósitos de agua pesada colocados en profundas minas abandonadas en las entrañas de la Tierra.

Cuando una espectacular supernova se iluminó en el cielo del hemisferio sur en 1.987, los físicos registraron una ráfaga de neutrinos que atravesaron sus detectores situados, precisamente, en profundas minas.

 1.956 × 10⁹ J  1.22 × 10¹⁹ GeV

Según parece, hasta que no seamos capaces de llegar a la energía de Planck, la Teoría de súper-cuerdas no podrá ser verificada.

Emilio Silvera

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Lux-Zeplin (LZ)

Por eso científicos del mundo están realizando experimentos como Lux-Zeplin (LZ) que se encuentra a un kilómetro y medio bajo tierra y es el detector de materia oscura más sensible del mundo, con una sensibilidad 50 veces superior a la de sus predecesores como mínimo.

El detector de materia oscura más sensible del mundo comenzará muy pronto su rastreo oficial para captar el hipotético paso de partículas de materia oscura por la Tierra.

En el proyecto trabajan físicos de diversas instituciones en Estados Unidos y Europa, incluyendo la Universidad Brown, en Providence, Rhode Island, Estados Unidos, la Universidad de California, y el University College de Londres.

El detector LUX (de las palabras en inglés Large Underground Xenon) está ubicado a más de un kilómetro (casi una milla) de profundidad bajo las Colinas Negras (o las Black Hills en inglés), en una antigua mina de oro de Dakota del Sur, Estados Unidos, y es el dispositivo más sensible diseñado hasta ahora para buscar la materia oscura.

Aunque conforma más del 80 por ciento de la masa del universo conocido, la materia oscura no ha sido todavía detectada directamente.

Las partículas de materia oscuras no emiten luz. Por eso los científicos del LUX buscarán evidencias de las colisiones de partículas de materia oscura (que se asume serán lo que los teóricos llaman Partículas Masivas de Interacción Débil, o WIMPs por sus siglas en inglés) contra átomos de xenón dentro de la cámara del detector LUX. Si entre todas las partículas que interaccionen con átomos de xenón, hay algunas WIMPs, entonces los científicos deberían ser capaces de detectarlas a partir de dichas colisiones.

El LUX requiere un ambiente con las menores perturbaciones posibles. En julio, el detector se instaló en un recinto del Laboratorio Sanford (Sanford Lab), emplazado a unos 1.480 metros (unos 4.850 pies) de profundidad. Allá abajo está protegido de la radiación cósmica que bombardea constantemente la superficie de la Tierra. El LUX también debe ser protegido de las pequeñas cantidades de radiación natural que proviene de la masa rocosa circundante. Por eso, el detector, que tiene más o menos el tamaño de una cabina de teléfono, fue encerrado dentro de un tanque de acero inoxidable de unos 6 metros (20 pies) de alto y 7 metros y medio (25 pies) de diámetro, que luego fue llenado con más de 250.000 litros (más de 70.000 galones) de agua desionizada ultrapura que escudará al dispositivo frente a la radiación gamma y los neutrones errantes.

El tanque de agua cuenta con 20 dispositivos fotomultiplicadores, cada uno lo bastante sensible como para detectar un fotón individual. Muy de vez en cuando, una partícula de alta energía causada por la radiación cósmica atravesará la tierra hasta llegar al LUX. Cuando eso suceda, el diminuto destello de luz resultante en el agua alertará a los investigadores de que la señal correspondiente indicada por el detector no ha sido causada por materia oscura, ayudándolos así a descartar falsas detecciones de esa escurridiza forma de materia.

El detector es un cilindro de titanio de pared doble de aproximadamente dos metros de altura y uno de diámetro. En lo básico es como un termo para bebidas, sólo que no alberga café sino un tercio de tonelada de xenón, en estado líquido, enfriado a una temperatura de 107 grados centígrados bajo cero. Dentro del termo, o criostato, hay otros 122 fotomultiplicadores de menor tamaño que informarán cuando una WIMP choque contra un átomo de xenón.

La colisión entre una WIMP y un átomo de xenón debiera producir dos destellos luminosos, uno en el punto de impacto y el segundo en una capa delgada de gas xenón que hay en la parte superior del detector. El segundo destello, más fuerte que el primero, estará causado por los electrones que se desprendan durante la colisión, los cuales serán arrastrados hacia arriba por el fuerte campo eléctrico dentro del dispositivo.

Valiéndose de diversos criterios, los investigadores compararán los datos de los dos destellos para determinar si lo detectado es realmente materia oscura.

La Fuente: NCYT Amazings.

Lo que llama la atención de todo este tinglado, es que construyan una estructura en el subsuelo de la Tierra para según dicen, capturar la “materia oscura”, algo que nadie sabe lo que es, ni siquiera si realmente puede existir, dicen que es invisible, que no genera radiación pero si genera Gravedad, no se sabe de qué clase de partículas podrá estar constituida, no sabemos… ¡Nada! de esta dichosa “materia”.

“Probablemente, el punto en donde parte la historia en términos de evidencia empírica fue en 1933, con el astrónomo Fritz Zwicky. Zwicky, en ese entonces, estaba estudiando cómo se movían las galaxias en los llamados “cúmulos de galaxias”, que son agrupaciones enormes de varias galaxias que están ligadas gravitacionalmente.

En particular, estaba estudiando el llamado cúmulo de Coma, ubicado en la constelación de Coma Berenices. La razón para estudiar el movimiento de las galaxias en este cúmulo era fascinante: este baile cósmico entre galaxias te relata cuán masivo es el cúmulo, dado que conoces el tamaño del mismo (que se puede medir observacionalmente).

Si hay mucha masa, entonces las galaxias alcanzarán, en promedio, grandes velocidades. Si hay poca masa, la velocidad que alcanzan las galaxias va a ser, en promedio, pequeña. Lo sopresivo para Zwicky fue que las velocidades que alcanzaban las galaxias en el cúmulo eran enormes, lo que implicaba que la masa total del cúmulo era enorme. El problema era que, si sumabas toda la masa de todas las galaxias del cúmulo observables desde la Tierra, no te alcanzaba para reproducir la masa que daba pie a las grandes velocidades que alcanzaban las galaxias en el mismo.

En otras palabras, había mucha más masa que objetos brillantes en este cúmulo. Esto llevó a Zwicky a concluir que había algo raro con el cúmulo: quizá los supuestos en sus cálculos estaban equivocados, o quizá las leyes de la física funcionan distinto en ese cúmulo distante.

 

“Ver” la red de materia oscura que rodea el cúmulo de coma

Asombrado y sin respuesta, Zwicky llamó a esta materia “extra” que no podíamos ver y que daba lugar a estas excepcionales velocidades como dunkle Materie, que en alemán significa “materia oscura”.

 

           Martinus J. G. Veltman

El Premio Nobel de Física, con respecto a este tema decía:

“La materia oscura es la alfombra, najo la cual, los cosmólogos, barren su ignorancia.”

Hasta el momento lleva la razón, y, viendo proyectos como este, me pregunto: ¿Estaremos perdiendo el Norte”.

¿Materia Oscura? ¿Dónde?

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Reduccionismo y emergencia, de nuevo

José Adolfo de Azcárraga

Si las leyes fundamentales de la física son tan sencillas, ¿por qué el mundo es tan complejo? La respuesta a esta elemental pregunta está en el fondo de un viejo debate que, al margen de su componente científica, puede tener otras connotaciones.

1. Weinberg, Anderson y el SSC

En los útimos años han fallecido tres físicos teóricos excep cionales, Steven Weinberg [1] (1933-2021, Nobel 1979), Mu rray Gell-Mann [2] (1929-2019, Nobel 1969) y Philip Warren Anderson [3] (1923-2020, Nobel 1977)1. Los tres, y también Edward Witten (1951-, Medalla Fields 1990), forman parte del grupo de físicos teóricos más influyentes de los últimos 75 años. Weinberg y Anderson participaron activa y pública mente defendiendo su visión de la ciencia y, en especial, de la física de las partículas elementales y de la materia conden sada2. Su distinta concepción quedó patente, una vez más, cuando testificaron en el Congreso de EE. UU. sobre la con veniencia de gastar unos 11 billones (USA) de dólares (cuatro veces el presupuesto inicial) en un extraordinariamente ambicioso colisionador de protones. Entre los objetivos del Super-conducting Super Collider (SSC, de 40 TeV en el centro de masas, 32 erg/protón) figuraba que los EE. UU. Mantu vieran el liderazgo de la física de alta energía. Weinberg y Anderson coincidieron en el Congreso el 4-VIII-1993; he aquí algunas de sus declaraciones:

S. W.: “No buscamos realmente las partículas, sino los principios… que gobiernan la materia, la fuerza y la ener gía, y todo en el Universo… A mediados de los 70 desarro llamos una teoría llamada modelo estándar… Sabemos que no constituye la última palabra porque deja fuera aspectos importantes como la fuerza de la gravedad… Además, no sabemos por qué las masas de las partículas son las que son. Pero hay un sentido en el que la física de partículas elementales se encuentra en el nivel más fundamental de 1  Gell-Mann recibió el Nobel “por sus contribuciones y descubrimientos sobre la clasificación de las partículas y sus interacciones”. Weinberg lo recibió, junto con Sheldon Lee Glashow (1931-) y Abdus Salam (1926 1996), por “sus contribuciones a la teoría unificada de las interacciones
débil y electromagnética entre particulas elementales incluyendo, inter alia, la predicción de la corriente débil neutra”. Anderson, Sir Nevil Mott (1905-1996) y John van Vleck (1899-1980) lo compartieron “por sus in vestigaciones teóricas fundamentales de la estructura electrónica de los sistemas magnéticos y desordenados”.
2
Según contó Anderson, la denominación ‘materia condensada’ fue intro ducida por él y Volker Heine en Cambridge cuando en 1967 rebautizaron su grupo en el laboratorio Cavendish, hasta entonces de ‘estado sólido’.

El trabajo completo lo pueden leer en la Revista Volumen 38 número 4 de 2.024.

No es lo mismo saber que entender

Emilio Elizald

Todos sabemos que la Tierra nos atrae con la fuerza de la gravedad; pero aún no entendemos por qué.

Como tampoco qué es la gravedad exactamente. De hecho, contra lo que se suele afirmar con asiduidad,

no entendemos la física clásica mucho mejor que la física cuántica.

A los visitantes de este lugar, les diría que llamen a la Real Sociedad Española de Física, y, en la Secretaría le dan los datos precisos para hacerse socios, por una módica cantidad, pueden decir que les avala Emilio Silvera Vázquez, y, recibirán el Boletín de la R.S.E.F., y la prestigiosa Revista, serán invitados a Congresos y otros eventos.

Y, lo más importante, podrán ser adscritos a los Grupos especializados que más les guste. yo estoy en el Grupo de Física Teórica y en el de Astrofísica.

E.S.V.

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Hemos llegado a poder discernir la relación directa que vincula el tamaño, la energía de unión y la edad de las estructuras fundamentales de la Naturaleza. Ahora, hemos llegado a comprender muchas de las cosas que, hasta bien poco tiempo, eran auténticos secretos que, el Universo, celosamente se guardaba, y, esa comprensión, nos llevará más lejos y nos permitirá realizar un largo camino hacia el corazón mismo de la materia, donde según parece, pueden resider infinitesimales objetos más pequeños que los Quarks, en esa distancia inalcanzable ahora que hemos llamado, el Límite de Planck.

En realidad, cuando observamos el Universo y vemos los fenómenos que ahí ocurren, las transiciones de fase que se producen en la materia, las energías desatadas que por todas partes son proyectadas en explosiones de supernovas y colisiones de estrellas de neutrones o agujeros negros, cuando dos inmensas galaxias se funden en una y se fusionan mediante un Vals de Gravedad que dura algunos millones de años… Cuando todo eso ocurre, podríamos pensar que, la Vida, no está preparada para ese entorno. Sin embargo, ¡aquí estamos!

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