martes, 17 de febrero de 2015

CUANDO CHOCAN LOS MUNDOS DE INVESTIGACIÓN

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 en 2005.
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 Nature"La primera detección del geoneutrino desde debajo de nuestros pies es un resultado histórico" McDonough escribió en la introducción del artıíulo.  "Permitirá una mejor estimación de la abundancia y distribución de elementos radiactivos en la 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 Nature publicó en papel el trabajo, uno de los autores, John Learned, profesor y miembro del grupo de física de alta energía en la 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