Dibujo20140917 naukas bilbao - 2014

Hay dos razones. A mi familia le encanta Bilbao. Y además imparto una charla sobre polvo de estrellas. “Todos somos polvo de estrellas,” incluso los más de cien miembros de mi familia en Naukas. Muchos no podrán estar en Bilbao, les echaremos en falta. Pero los que estaremos allí el 26 y el 27 de este mes queremos verte. Nuestra labor divulgativa, dispar donde las haya, no tiene sentido sin tí. Eres imprescindible, y lo sabes.

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Dibujo20140914 Stephen Hawking - Santa Cruz Tenerife - 13 sep 2014 - EFE NACIMA20140913 0004 6

Ya puedes escuchar el audio del podcast mi sección Eureka en el programa de radio La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, algunos enlaces y algunas figuras.

El famoso físico británico Stephen Hawking ya ha llegado a España, a las Islas Canarias, para participar en la segunda edición del Festival Starmus. Como ya es habitual en Hawking, nos brinda una nueva boutade: la partícula de Higgs podría destruir el universo. ¿Qué quiere decir Hawking con estas palabras? Hawking ha realizado esta afirmación en el prefacio del libro “Starmus, 50 years of man in space” que recoge las conferencias de la primera edición del Festival Starmus, que se celebró en junio de 2011 y que contó con invitados de excepción como los astronautas Neil Armstrong y Buzz Aldrin, o el guitarrista del grupo Queen Brian May. El Festival Starmus es un encuentro de divulgación científica, centrado en la astrofísica y la astronomía, impulsado por Garik Israelian, astrofísico armenio-español del Instituto de Astrofísica de Canarias, con el patrocinio del Gobierno de Canarias y del Cabildo de Tenerife. Hawking ha escrito en el prefacio de este libro que si un bosón de Higgs alcanzara una energía de cien mil millones de veces la masa de un protón podría provocar un colapso del espacio y del tiempo que destruiría todo el universo. Con cierto sarcasmo Hawking dice en el prefacio de este libro que un colisionador de partículas capaz de alcanzar esta energía debería ser más grande que la propia Tierra, con lo que es muy improbable que sea financiado con el “clima” económico actual.

Para más información en español puedes leer Alberto Casas, “No hay nada que temer,” El Mundo, 9 Sep 2014; “Stephen Hawking: el bosón de Higgs podría destruir el Universo,” ABC, Ciencia, 9 Sep 2014; “Stephen Hawking: ‘Ahora mismo no sé aún por qué existe el Universo’,” El Mundo, Ciencia, 13 Sep 2014.

Hay muchas explicaciones en inglés, recomiendo Don Lincoln, “What Hawking really meant,” Symmetry Magazine, 11 Sep 2014; Matt Strassler, “Will the Higgs Boson Destroy the Universe???,” Of Particular Significance, 10 Sep 2014; Kelly Dickerson, “Stephen Hawking Says ‘God Particle’ Could Wipe Out the Universe,” Live Science, 8 Sep 2014; Roxanne Palmer, “Will The Higgs Boson Destroy The Universe In A Cosmic Death Bubble?,” World Science Festival, 8 Sep 2014.

En este blog también puedes leer “La estabilidad del vacío del modelo estándar,” LCMF, 13 Sep 2013; “El bosón de Higgs y el destino final del Modelo Estándar de la física de partículas,” LCMF, o4 Ago 2009; “Por qué el bosón de Higgs es una pieza fundamental en el modelo estándar,” LCMF, 10 Jul 2012.

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Dibujo20140914 SuperKEKB - BelleII - colliders

Determinar con gran precisión la vida media del leptón tau es importante para comprobar la universalidad de los leptones: Según el modelo estándar el acoplo del bosón W a todos los leptones (electrón, muón y leptón tau) es idéntico. El detector Belle II en el colisionador KEK, Tsukuba, Japón, ha obtenido la medida más precisa hasta el momento τ = (290,17 ± 0,62) × 10–15 s (cuyo error es 1,6 veces menor que el valor del PDG). También han determinado la diferencia relativa entre la vida media del leptón y del antileptón tau, obteniendo |τ(τ+)–τ(τ)|/τ < 7,0 × 10–3 al 90% CL.

Estos resultados que confirman las predicciones del modelo estándar nos los ha contado Mikhail Shapkin (Belle Collaboration), “Measurement of the lifetime of tau-lepton,” The 13th International Workshop on Tau Lepton Physics, Aachen, Germany, 15-19 September, 2014 [PDF slides].

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Dibujo20140912 Szilard Engine - Experimental realization - pnas org

Para ilustrar el concepto de entropía de la información, el físico Leó Szilárd ideó en 1929 un motor que funcionaba gracias al diablo de Maxwell transformando calor en trabajo. La entropía del motor decrece gracias al incremento de la información del diablo, pero sin violar la segunda ley de la termodinámica para el sistema completo (motor+diablo). Se publica en PNAS la construcción, por primera vez, de un motor de Szilárd que funciona con un solo electrón.

El motor de Szilárd (1929) ilustra la teoría de la información de Claude Shannon (1948) y el principio de Landauer (1961): adquirir un bit de información equivale a la extracción de una cantidad de calor igual a kB T log(2), donde kB es la constante de Boltzmann, de un recipiente a temperatura T. El diablo de Maxwell ha sido ilustrado con varios experimentos en el pasado, pero en este caso la novedad es que se usa un solo electrón (la información adquirida codifica su posición) y que permite cuantificar la entropía de la información (verificando la predicción teórica de Landauer).

El artículo técnico es Jonne V. Koski et al., “Experimental realization of a Szilard engine with a single electron,” PNAS, AOP 08 Sep 2014; arXiv:1402.5907 [cond-mat.mes-hall]. Más información divulgativa en John Timmer, “Researchers create a Maxwell’s demon with a single electron. Show that a bit of information has a thermodynamic cost,” Ars Technica, 10 Sep 2014. Recomiendo leer a Charles H. Bennett, “Demonios, motores y la segunda ley,” Investigación y Ciencia 136, Enero 1988 (incluido en “Calor y movimiento,” Temas IyC 16, Abr/Jun 1999) [PDF escaneado].

PS [14 Sep 2014]: He cambiado el titular. Mi titular original era “Crean un motor de Szilárd con un solo electrón” (más fiel al del artículo técnico), pero lo cambién por “Crean un diablo de Maxwell con un solo electrón” por influencia de Twitter. Ahora César Tomé, “Hitos en la red #34,” Naukas, 14 Sep 2014, remarca que “En la historia de la ciencia hay conceptos que se crean en un momento dado y que después se mantienen en el tiempo a pesar de que la teoría haya avanzado y los haya dejado obsoletos en su sentido original. Ocurre con el demonio de Maxwell si dejamos que sea sólo de Maxwell y nos olvidamos de las aportaciones de Szilárd-Landauer; el de Maxwell viola las leyes de la termodinámica, el de Maxwell-Szilárd-Landauer no lo hace y por eso puede construirse.” Remarca y tengo que darle toda la razón.

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Science Magazine

La última desglaciación, hace entre 19 y 11 mil años, ofrece algunos enigmas climáticos cuando se comparan Groenlandia y la Antártida usando testigos de hielo (la composición isotópica del agua) en los llamados periodos de Dryas. Se publica en Science un nuevo método de reconstrucción isotópica de las temperaturas en la columna de agua de los testigos de hielo que tiene en cuenta la difusión del hielo sólido durante el deshielo. Incorporando este efecto al modelo climático CCSM3 logra explicar la anomalía de la temperatura superficial en Groenlandia en los periodos de Dryas.

Hay que destacar que el clima global durante la última desglaciación se entiende bastante bien. Se explica gracias a un aumento global de la temperatura superficial debida al incremento de la irradiación solar y a una redistribución del calor entre ambos hemisferios asociada a cambios en la circulación termohalina en el océano Atlántico. Sin embargo, al comparar la composición isotópica de δ18O y de δ2H (o δD) en el agua en los testigos de hielo de Groenlandia (curva verde en la figura) aparece una clara discrepancia respecto a la Antártida (curva naranja) en los periodos de Dryas Antiguo (OD) y Dryas Reciente (YD).

La nueva solución a esta anomalía tendrá que ser refrendada por futuros estudios, pero nos recuerda que muchas anomalías climáticas regionales tienen su origen en la no inclusión de ciertos efectos locales en los modelos climáticos. Hay destacar que a nivel global entendemos muy bien el clima, su evolución y las causas asociadas a sus cambios. Nos lo cuenta Louise Claire Sime, “Greenland deglaciation puzzles,” Science 345: 1116-1117, 5 Sep 2014, siendo el artículo técnico Christo Buizert et al., “Greenland temperature response to climate forcing during the last deglaciation,” Science 345: 1177-1180, 5 Sep 2014.

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Dibujo20140904 Higgs amplitude mode - state with spontaneously broken symmetry - science mag

La teoría del campo de Higgs, que explica la masa de las partículas gracias a una rotura espontánea de una simetría, está basada en la teoría BCS (Bardeen–Cooper–Schrieffer) de la superconductividad; en concreto en la explicación de Philip Anderson (1958) del efecto Meissner como resultado de una masa “efectiva” para el fotón (Premio Nobel de Física de 1977). Se publica en Science la primera prueba experimental directa de la existencia de este fenómeno (modos de Higgs) en superconductores.

Un resultado esperado que confirma las predicciones teóricas realizadas en 1958. ¿Por qué ha costado tantos años? Porque era necesario usar fuentes intesas de luz en el régimen de los terahercios. El artículo técnico es Ryusuke Matsunaga et al., “Light-induced collective pseudospin precession resonating with Higgs mode in a superconductor,” Science 345: 1145-1149, 5 Sep 2014. Más información divulgativa en Alexej Pashkin, Alfred Leitenstorfer, “Particle physics in a superconductor,” Science 345: 1121-1122, 5 Sep 2014.

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Dibujo20140904 normalized contrast two transitions under magnetic field with two temperatures - phys rev applied

Un objeto en contacto con un baño térmico se termaliza (estabiliza su temperatura a la del baño térmico). Pero hay excepciones cuánticas, como los electrones en un semiconductor inmerso en un baño térmico con una temperatura inferior a 1 K, que pueden estar más calientes. ¿Cómo se puede medir la temperatura de estos electrones para demostrar este comportamiento tan sorprendente? Se publican dos artículos en Physical Review Applied que usan como termómetro un punto cuántico para medir la temperatura de los electrones en un semiconductor de arseniuro de galio (GaAs).

Martin Kroner (ETH Zürich, Suiza) y sus colegas han medido una temperatura de 130 ± 7 mK para los electrones cuando el GaAs está enfriado a 7 mK. Alexander Högele (Univ. Ludwig Maximilian de Munich, Alemania) y sus colegas han medido 400 ± 50 mK para los electrones cuando el GaAs está enfriado a 250 mK. Los dos grupos de investigadores confirman la predicción teórica: Los electrones en el punto cuántico tienen una temperatura mayor que la temperatura del baño térmico en el que se encuentra sumergido.

Las leyes de la termodinámica nos reservan muchas sorpresas en los sistemas cuánticos y ultrafríos. Los dos artículos técnicos son Florian Haupt, Atac Imamoglu, Martin Kroner, “Single Quantum Dot as an Optical Thermometer for Millikelvin Temperatures,” Phys. Rev. Applied 2: 024001, 1 Aug 2014, y F. Seilmeier, M. Hauck, E. Schubert, G. J. Schinner, S. E. Beavan, A. Högele, “Optical Thermometry of an Electron Reservoir Coupled to a Single Quantum Dot in the Millikelvin Range,” Phys. Rev. Applied 2: 024002, 1 Aug 2014. Un resumen en Katherine Kornei, “Synopsis: Measuring Millikelvin Temperatures with Quantum Dots,” Physics, 1 Aug 2014.

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Dibujo20140904 au nanoparticles and ru on srtio3 surface - Angewandte Chemie

El gran objetivo de la fotosíntesis artificial es producir hidrógeno, el vector energético del siglo XXI. La mejor manera de transportarlo en vehículos de hidrógeno es usar amoníaco (se condensa fácilmente en un líquido y contiene un 17,6% de hidrógeno en peso). Lo ideal sería producir directamente el amoníaco a partir de la luz solar. Por primera vez se ha logrado gracias a la síntesis inducida por plasmones, un proceso fotoelectroquímico catalizado por nanopartículas de oro.

La síntesis de amoníaco a nivel industrial es costosa porque el proceso de Haber-Bosch (reacción de nitrógeno (aire) e hidrógeno (metano) para producir amoníaco) requiere alta presión (150-300 atmósferas), alta temperatura (400-500 °C) y su rendimiento es bajo (10-20%). Se publica en Angewandte Chemie un nuevo proceso barato y muy prometedor. Quizás los futuros coches con pilas de hidrógeno utilicen como “combustible” el amoníaco producido en plantas solares.

El artículo técnico es Tomoya Oshikiri, Kosei Ueno, Hiroaki Misawa, “Plasmon-Induced Ammonia Synthesis through Nitrogen Photofixation with Visible Light Irradiation,” Angewandte Chemie 53: 9802–9805, 08 Sep 2014.

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Dibujo20140903 The Laniakea supercluster of galaxies - nature13674-sf3

¿Dónde estamos en el universo? Se publica en Nature un nuevo dato sobre nuestra dirección cósmica (idea que recordarás de Carl Sagan en la serie “Cosmos”). Tras la Vía Láctea, Grupo Local y Cúmulo de Virgo debes añadir Supercúmulo de Laniakea. Para ello han analizado los movimientos de las ocho mil galaxias del catálogo Cosmicflows-2 con desplazamiento al rojo z<0,1.

¿Cómo se determinan los bordes de un supercúmulo galáctico? R. Brent Tully (Univ. Hawaii, EEUU) y sus colegas han definido un supercúmulo como una “cuenca de atracción” en el campo de velocidades peculiares de un grupo de galaxias (estas velocidades son las que se obtienen tras restar la contribución de la expansión cósmica). Los bordes entre dos “cuencas de atracción” quedan bien definidos al estudiar el flujo en el campo de velocidades. Una idea tomada de la teoría de sistemas dinámicos que ilustran muy bien con el vídeo de más abajo.

Nos lo cuenta Elmo Tempel, “Cosmology: Meet the Laniakea supercluster,” Nature 513: 41–42, 04 Sep 2014. El artículo técnico es R. Brent Tully, Hélène Courtois, Yehuda Hoffman, Daniel Pomarède, “The Laniakea supercluster of galaxies,” Nature 513: 71–73, 04 Sep 2014 (arXiv:1409.0880 [astro-ph.CO]); el catálogo galáctico usado lo publicaron los mismos autores en R. Brent Tully et al., “Cosmicflows-2: The data,” The Astronomical Journal 146: 86, 2013 (arXiv:1307.7213 [astro-ph.CO]). Sobre tu dirección cósmica te recomiento leer a Antonio Cantó, “Esta es tu dirección,” La pizarra de Yuri, 29 Abr 2010.

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Dibujo20140901 C Adrian Paenza - Leellavati Prize - icm2014 seoul

Ya sabrás que el matemático argentino Adrián Paenza ha ganado el Premio Leelavati en el Congreso Internacional de Matemáticos (ICM) 2014 celebrado en Seúl. Yo no había visto su charla plenaria con motivo del premio hasta ahora. Realmente imprescindible. El divulgador científico más famoso de la televisión en Argentina lo borda, como no podía ser menos. Está en inglés, pero es fácil de entender. Si tienes 45 minutos, merece la pena ver el siguiente vídeo.

Por cierto, los libros de divulgación matemática de Paenza están gratis en su web.

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