Los físicos de
partículas y los científicos de otras disciplinas encuentran maneras de
ayudarse mutuamente.
Crédito de las ilustraciones: Estudio Sandbox con Corinne Much
Respuestas a preguntas críticas
Todos los investigadores están
tratando de entender cómo funciona el mundo;
van sobre él de diferentes maneras: A través de proyectos interdisciplinarios,
los científicos de diferentes orígenes pueden ofrecer unos a otros nuevas
tecnologías, técnicas y perspectivas.
Los investigadores Jasper
Kirkby del CERN, Anton Tremsin de la Universidad de California, Berkeley, y Bill
McDonough de la
Universidad de Maryland han llegado a forjar conexiones
únicas con otros investigadores, persiguiendo metas diversas utilizando herramientas
de la física de partículas.
CLIMA – Comprenderlo utilizando
los rayos cósmicos
Jasper Kirkby es un físico de
partículas experimental que ha trabajado en varios experimentos grandes
aceleradores en el SLAC National Accelerator Laboratory y el CERN desde 1972.
Hace casi 20 años, escuchó una charla sobre los rayos cósmicos y
la formación de nubes. Formación
de la nube es un componente clave de los modelos climáticos porque las nubes
dispersan la luz solar, proporcionando un efecto de enfriamiento en la
atmósfera.
Kirkby aprendió en la charla
que la formación de nubes parecía que se correlaciona con la aparición de los
rayos cósmicos, partículas de alta energía - en su mayoría protones - que la
lluvia trae sobre la Tierra
desde el espacio.
Las nubes se forman cuando el agua se condensa alrededor de las
partículas de aerosol, líquido minúsculo o partículas sólidas suspendidas en el
aire. Se especuló que los rayos
cósmicos ionizan los vapores atmosféricos los que podrían ayudar a estas
semillas en la formación de la nube. Sin
embargo, tanto la formación de partículas de aerosol como los vapores atmosféricos, son poco conocidos.
Después de la charla, Kirkby
escribió un artículo acerca de cómo este proceso podría ser investigado bajo
condiciones controladas en laboratorio utilizando una cámara atmosférica
ultra-limpia y un haz de protones para simular los rayos cósmicos.
Llamó a la cámara propuesta CLOUD
(NUBE en español), por Cosmics Leaving Outdoor Droplets – Las
gotitas al aire libre.
Kirkby continuó una gira por
Europa para discutir sus ideas con la comunidad atmosférica, comenzando en la Universidad de Berna
en mayo de 1998.
"Con las ideas interdisciplinarias, que realmente se pega el
cuello hacia fuera," dice Kirkby. "Y
yo no quería hacerlo a no ser que la comunidad atmosférica pensaron que era una
buena idea."
Kirkby recogió colaboradores en
el camino y formó lo que él llama un "dream team" para el experimento
NUBE. "Hay una mezcla de culturas científicas y técnicas que pueden ser
muy poderoso", dice Kirkby."Ninguna
persona tiene todas las respuestas, sino que cada individuo trae nuevas ideas y
conocimientos."
Los miembros del equipo de
Kirkby son capaces de introducir pequeñas cantidades de diferentes vapores a niveles
de partes por trillón en la cámara de niebla. Ellos
usan mediciones de la atmósfera real para determinar qué mezclas sirven para
probar. "Podemos aislar precisamente lo que los vapores son importantes y
cuantificar cómo interactúan en diferentes condiciones", Kirkby dice, "pero necesitamos las mediciones de
campo para reducir las opciones."
El equipo NUBE en la actualidad
se compone de 80 científicos de 17 diferentes instituciones ubicados en 9
países.
Ellos reciben financiación del
CERN y de una variedad de otras organizaciones de Europa y Rusia más la Fundación Nacional
de Ciencia. La colaboración ha
publicado varios artículos en la Revista Nature and Science que han establecido los principales
vapores responsables de la formación de las semillas en la nube.
Los primeros pasos fueron
difíciles, sin embargo, porque la financiación de los proyectos
interdisciplinarios pueden ser difíciles de asegurar. "Usted
se cae entre las grietas de las agencias de financiamiento tradicionales",
dice Kirkby. "La investigación interdisciplinaria puede ser una empresa de alto
riesgo, como una start-up. No es
para los débiles de corazón. Pero
tienes la posibilidad de hacer los avances científicos perturbadores”
Una herramienta para muchos
científicos
A veces, en lugar de un
rompecabezas de investigación, usted tiene una herramienta a la espera de un
nuevo problema a resolver.
Anton Tremsin, investigador en
el Laboratorio de Ciencia Espacial de la Universidad de California en Berkeley, trabaja
con Timepix, un chip que recoge
rápidamente y digitaliza las señales de partículas. El chip se basa en la
tecnología desarrollada inicialmente para medir partículas en los experimentos
con los aceleradores del CERN
Los Chips de Timepix se pueden
utilizar en imágenes de neutrones, que funcionan algo así como imágenes de
rayos X.
En la película de una imagen de
rayos X, las áreas de mayor densidad o el más pesado ejemplo de elementos finos,
como son los huesos o los dientes en una placa de rayos X de un cuerpo se ven
más brillantes. Las densas áreas
contienen la mayoría de los electrones, que interactúan con los rayos X y los
paran al pasar, al detectarlos cuando
dejan su huella en la película.
Los neutrones, sin embargo,
interactúan con los núcleos de los átomos. Así
que una imagen de neutrones puede ser más matizada mediante una imagen de rayos
X.
Permite distinguir entre muchos tipos
de materiales, cada uno de los cuales afecta a los neutrones de una manera
diferente.
Una imagen de neutrones puede
revelar los diferentes órganos dentro de un tábano, mostrar la concentración de
hidrógeno en un metal o encontrar una flor que crece detrás de una pared de
granito.
Hoy en día, Timepix se utiliza
para probar la estabilidad de una aeronave;examinar antiguas espadas japonesas
y evaluar muestras de meteoritos, entre otros proyectos diversos.
"Ha sido tan variable en términos de aplicaciones", dice Tremsin. "Yo ni siquiera puedo predecir cómo
utilizaríamos Timepix en el futuro."
La colaboración involucrada en
el desarrollo de Timepix es grande, con docenas de grupos trabajando en la
utilización activa de la tecnología. Con
fondos de la NASA ,
NSF, el Departamento de Energía, Tremsin trabaja con dos chips Timepix fabricados
en UC Berkeley y posteriormente instalados en el Laboratorio Rutherford
Appleton en Oxfordshire, Inglaterra, y en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
en Tennessee. Ambos laboratorios
son centros para la imagen de neutrones.
Un colega en el Laboratorio
Nacional Oak Ridge puso a Tremsin en contacto con Yan Gao, un científico senior
de GE Global Research en Schenectady, Nueva York. Gao utiliza Timepix para evaluar
álabes de las turbinas utilizadas en los motores y generadores de aeronaves.
Los dos investigadores han
estado trabajando juntos durante más de un año.
"Ha sido una colaboración fructífera y activa", dice Gao. "Anton no sólo tiene talento
científico, pero también es persistente en tratar de usar su detector para
resolver problemas del mundo real."
Las cuchillas para motores de
aeronaves deben estar hechas de un material que puede soportar el estrés bajo
altas temperaturas, dice Gao.”Para desarrollar inmaterial de este tipo, es
necesario comprender la microestructura”, dice, "Y para hacer este tipo de proyección de imagen así, usted
necesita un detector de alta resolución como Timepix."
Gao a menudo trabaja con
investigadores de universidades y laboratorios nacionales. Él dice que la comunicación frecuente
con una amplia gama de científicos es clave para asegurar que las personas con
herramientas útiles conocen gente con preguntas de investigación que son interesantes.
Tremsin también ha emparejado
con Ed Perfect, profesor de ciencias terrestres y planetarias en la Universidad de
Tennessee.
Para Perfect, el encanto de
Timepix es su capacidad para controlar los cambios en el tiempo. Él utiliza chips Timepix para mirar
los líquidos ricos en hidrógeno, como el agua y el aceite de los viajes a
través de diferentes materiales de la tierra.
La comprensión de este
movimiento es importante para una amplia gama de procesos, incluyendo la
fracturación hidráulica y recuperación mejorada de petróleo.
Para estudiar el flujo de
fluidos a través de la piedra arenisca y pizarra, Perfect trae el agua en
contacto con la base de núcleos de roca fracturada en la línea de rayos mediante
una imagen de neutrones CG-1D de Oak Ridge. El
agua se introduce en la zona de fractura al entrar en contacto, Perfecto dice
que ha sido sorprendido por la rapidez con que los fluidos pueden moverse a
través de estos medios porosos.
"Con la proyección de imagen de este detector, que son
capaces de capturar procesos dinámicos que no hemos realmente visto
antes", dice Perfect. "De
hecho, todavía estoy rascándome la cabeza acerca de cómo interpretar las
observaciones, porque no se explica por nuestra teoría tradicional."
Aunque la lista de aplicaciones
ya es bastante larga, Tremsin todavía piensa que hay más formas de usar
Timepix. "Todavía estamos tratando de demostrar lo que se puede hacer y lo
que se puede medir", dice. "Espero que habrá muchas nuevas
aplicaciones más."
El uso de neutrinos para
descubrir lo que está debajo de nuestros pies
Bill McDonough, profesor de
geología en la Universidad
de Maryland, primero relacionado con la física de partículas, cuando se le
pidió revisar un documento que se había presentado en la Revista Nature
El documento anunciaba la
detección de geoneutrinos - neutrinos emitidos durante la desintegración
radiactiva del uranio y torio en el interior de la Tierra , del experimento KamLAND efectuado en Japón.
McDonough nunca había pedido
servir como revisor para una publicación de la física de partículas. Estaba intrigado, en parte debido a que
una década antes había escrito un artículo sobre la abundancia estimada de los
diferentes elementos, como el uranio, en el interior de la Tierra.
“Al igual que los demás, hice una hipótesis, pero nunca pensé que
nos gustaría ser capaces de medir la cantidad de uranio qu esta dentro de la Tierra ”, dice McDonough
Los resultados de geoneutrinos
KamLAND terminaron haciendo la portada de la Revista Naturela Tierra , y del balance del
calor global de la Tierra. "
De todos los elementos, tres de
ellos: uranio, torio y potasio producen más del 99 por ciento del calor de una
de las dos fuentes de energía en el interior de la Tierra , la desintegración
radiactiva; la otra fuente es la energía primordial, restos de la energía
cinética de la formación de la
Tierra y su núcleo.
Los poderes energéticos interiores
de la Tierra tienen
una larga lista de grandes procesos en la superficie terrestre: la tectónica de
placas, la formación y el movimiento de la nueva corteza oceánica; subducción, el movimiento de una placa
oceánica bajo la corteza y el interior del planeta; la convección, la agitación del manto; y también la creación de la
magnetosfera por convección en el núcleo externo líquido.
Después de que la Revista Naturela Universidad
de Hawai, McDonough fue llamado para discutir el trabajo y en conjunto medir el
balance de energía de la Tierra
con geoneutrinos.
Dice "Desde entonces, hemos estado negociando información a una
velocidad alta,Bill nos ha dado el modelos geológicos de datos y tenemos que
predecir el flujo de neutrinos".
Hay formas de medir el calor
que sale del planeta. Pero antes de
los geoneutrinos, era difícil saber su origen. "Como
químico, me gustaría aprovechar la
Tierra , disolverla en un vaso y luego analizarla y le dirá
exactamente lo que su composición es", dice McDonough. "Hay
consecuencias de los cursos a la disolución de la Tierra. "
McDonough recibe la mayor parte
de su financiación de la NSF. Pero el estudio de los geoneutrino son
un verdadero esfuerzo global, con detectores que operan actualmente en Japón e
Italia, otro que entrarán en funcionamiento en breve en Canadá y el planeado en
China. Learned y McDonough están
trabajando juntos para planificar un detector, que se construirá en Hawai, que
se puede mover alrededor en el suelo marino.
"Nos ayudamos unos a otros a entender campo del otro", dice McDonough. "Todos tenemos un alto nivel de
curiosidad y conducimos a responder a estas preguntas."
Se necesitan años para obtener resultados de los experimentos con geoneutrino. El detector de Japón detecta alrededor
de un geoneutrino cada mes, y el detector en Italia uno cada dos o tres meses. Pero al mismo tiempo, los científicos siguen
aprendiendo.
"Sabemos menos sobre el centro de la Tierra que nosotros sobre
el sol," dice Learned. "No
entendemos lo que está debajo de nuestros pies, a excepción de algunos
kilómetros abajo. Los neutrinos
nos dan la oportunidad de probar".
Cuando los científicos cumplen
Los investigadores están
utilizando la tecnología de la física de partículas para comprender algunos de
los procesos más importantes del planeta y de observar sus rincones más
pequeños y más inaccesibles.
Las alianzas forjadas para
hacer esta investigación pueden traer nuevas energías en forma de flujo de
nuevas ideas, dice Kirkby.”Los
científicos tienden a especializarse, pero te dan la oportunidad de romper con
esa tendencia” , dice.
"Y es muy divertido aprender tantas cosas nuevas." Cuando los
científicos consiguen ser creativos, crean oportunidades para una mejor
ciencia, con resultados interesantes.
Fuente: Symmetry (Amanda Solliday) sept.2014 / Ilustraciones:Sandbox Studio with
Corinne Much
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