Large Hadron Collider en el taller de reparaciones

Interior del tunel del LHC

Comentaba en un post anterior la posibilidad de que al finalizar las vacaciones se pusiese en marcha el experimento del LHC (Large Hadron Collider). Pues bien, el 10 de septiembre se consiguió emitir un haz de protones a través de los 27 km del túnel circular del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y por la tarde se consiguió que otro haz completara el recorrido en sentido contrario. A esto se le llamó un doble éxito. Este éxito inmediato daba a suponer que en un mes el LHC estaría preparado para los experimentos.
Después de 9 días de puesta a punto, al menos una bobina magnética superconductora fallo, dejando escapar gas helio dentro del túnel subterráneo que alberga el LHC. Estas bobinas magnéticas superconductoras son imprescindibles para guiar y acelerar a los protones a lo largo del anillo circular del LHC sin que choquen con las paredes. En total hay 9593 bobinas superconductoras de 15 metros de largo y 35 toneladas de peso que tienen que funcionar a 1,9K (-271,3 ºC) para tener la propiedad de superconductor.
Estas bobinas son electroimanes superconductores capaces de generar 8.3 T (Tesla) en su interior, en comparación el campo magnético de la Tierra es de 0,00003 T. Están construidas con cables de niobio y titanio (NbTi) adquieren la propiedad de superconductor a temperaturas debajo de 10 K (-263,2 ºC). Esto significa que pueden conducir la electricidad sin resistencia. El LHC funciona a una temperatura de 1,9 K (-271,3 ºC), la cual es menor que la temperatura del espacio intergaláctico, que son 2,7 K (-270,5 ºC).
¿Porque es necesaria la superconductividad?. Para generar el campo magnético de 8.3 T es necesario aplicar una corriente de 11700 A (Amperios). Para hacerse una idea, el cuerpo humano no resiste una corriente superior a 0,03 A. En nuestras casas la intensidad es del orden de 10 amperios y en la descarga de una rayo se transporta una corriente de unos 30000 A. La corriente al circular por un conductor con cierta resistencia genera calor (es lo que se conoce como efecto Joule). Además este calor depende del cuadrado de la intensidad. Si aumenta un poco la intensidad el calor disipado aumenta mucho más. Con todo esto, si las bobinas electromagnéticas por donde circula la corriente de 11700 A no fuesen superconductoras, tendrían resistencia y se calentarían mucho más allá del punto de fusión. Es decir, la bobina se fundiría. Para conseguir la superconductividad (resistencia cero) se tiene que enfriar el material bombeando helio líquido dentro del sistema de bobinas. En total se necesitan 120 toneladas de helio para refrigerar todo el mecanismo del LHC.
Seguramente el fallo se origino por una mala conexión eléctrica entre dos bobinas. Esto produjo la fusión de un trozo de cable y como consecuencia perdió su propiedad superconductora, empezó a comportarse como un cable ordinario con resistencia y el calor disipado terminó por fundirlo más. Se cree que pasó de 2 K a 100 K. El helio refrigerante salió de la bobina llenando la parte del sector 3-4 del anillo circular.
Para inspeccionar las bobinas primero hay que acondicionar el túnel, esto llevará un mes. El CERN dedica el invierno a tareas de mantenimiento, de manera que el experimento físico más esperado tendrá que esperar hasta la primavera del año 2009.
Esto me deja un margen de tiempo suficiente para hablar del LHC, de las partículas fundamentales y de la partícula de Higgs en los próximos posts. Por supuesto siempre y cuando no se me fundan las pocas neuronas que ya me van quedando.

Granizada en Kenia

Montañas nevadas en Lesoto (África)

Me comentan que el cambio climático va en serio ya que incluso nieva en África. Pues bien un pequeño comentario y así nos relajamos un poco de los últimos post demasiado liados. He leído en algunos medios de comunicación que nevó en Kenia y en algunos blogs se dice lo siguiente: “Claramente esto es producto del cambio climático. Por primera vez en la historia nevó en un país Africano, Kenia”.

Hay que tener en cuenta que no cayó nieve, sino granizo y fue en una zona cercana a la población de Nyahururu, a unos 220 kilómetros de Nairobi. Un dato interesante es que Nyahururu se encuentra a un altitud de 2304 m y ahora es invierno en esta zona de África. La tempertura máxima son 24 C y la mínima 9 C. Encontraran los datos aquí.

Por ejemplo, Lesoto situado en medio de SudAfrica se eleva a un mínimo de 1.500 metros de altura, con picos y montañas asombrosas; la más alta, Thabana-Ntleyana, a 3.841 metros. No es de extrañar que haya nieve perpetua en alguno de sus picos.

Pero las noticias realmente preocupante entres otras son las siguientes noticias:

• 8 mujeres y tres hombres quemados vivos en Kenia acusados de brujería. (ver aquí)
• En Lesoto la esperanza de vida es 42 años menor que en Japón.

Masa Gravitatoria y Masa Inercial

En los dos anteriores post comentaba el impacto de cuerpos masivos (cometas, asteroides) contra la Tierra como consecuencia de la fuerza gravitatoria. La fuerza de la gravedad de la Tierra los acelera, aquellos con más masa interaccionaran con más fuerza gravitatoria, pero también cuestan más de acelerar. ¿Qué relación hay entre la masa que actúa con la gravedad y la masa que se resiste a ser acelerada?. El 10 de septiembre de 2008 se ha puesto en marcha el LHC con éxito. Pero aún tenemos que esperar a los experimentos, en alguno de ellos se espera encontrar el bosón de Higgs. ¿Y qué es el bosón de Higgs?. La respuesta completa intentaré explicarla cuando empiecen los experimentos de verdad. Pero por decirlo rápidamente, es la manera como las partículas adquieren masa y por supuesto cualquier cuerpo.

La masa es uno de los conceptos fundamentales en el conocimiento científico, al igual que el concepto de carga eléctrica, espacio y tiempo. Pero aunque parezca paradójico tanto la masa, como el espacio, como el tiempo y la carga eléctrica son conceptos básicos que no se entienden. ¿Cómo es posible esto?. En este post trataré solamente de la masa. ¿No es la masa la cantidad de materia que hay en un cuerpo?, pues va a resultar que no es tan sencillo. En la teoría de Newton la masa aparece de dos formas diferentes, una como masa gravitatoria y otra como masa inercial. La masa gravitatoria (Mg) es la propiedad que tiene un cuerpo de atraer a otro mediante la fuerza gravitatoria. La masa inercial (Mi) mide la resistencia que presenta un cuerpo a cambiar su estado de movimiento cuando se aplica una fuerza. Es decir, se resiste a acelerarse, a mayor masa menor aceleración. Y esta masa podría depender de la composición química del cuerpo, de su temperatura o otra variable desconocida. Pues bien, aunque en principio parecen propiedades distintas, experimentalmente la masa gravitatoria y inercial de un cuerpo son iguales. Este resultado se conoce como principio de equivalencia débil.

La fuerza gravitatoria entre dos cuerpos, supongamos por ejemplo que el primero tiene una masa gravitatoria M1 y el segundo una masa gravitatoria Mg, es directamente proporcional al producto de su masa gravitatoria e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Aplicando el segundo principio de Newton esta fuerza gravitatoria produce una aceleración en ambos cuerpos, nos fijamos ahora solamente en el segundo de masa gravitatoria Mg, pero resulta que esta aceleración depende de la masa inercial Mi de este cuerpo. La segunda ley de Newton trata solamente de la inercia del cuerpo. Obtenemos la siguiente ecuación para la aceleración

Según esta ecuación la aceleración del segundo cuerpo depende de la relación entre su masa gravitatoria y inercial, es el cociente Mg/Mi. En este caso la caída de un cuerpo dependería de su composición química, es decir, una bola de plomo de 1kg se aceleraría de forma diferente a 1kg de paja. Pero los experimentos realizados nos dicen que la relación entre la masa gravitatoria y inercial es la misma para todos los cuerpos. De esta manera todos los objetos cerca de la superficie de la Tierra caen con la misma aceleración, independientemente de su masa, despreciando la resistencia del aire por supuesto. Ver "Midiendo la gravedad lunar".
En este caso escogiendo Mg/Mi = 1, y con MT la masa de la Tierra y R el radio de la Tierra obtenemos la ecuación para la aceleración de cualquier objeto sobre la Tierra. Fijarse que solo depende de la masa de la Tierra MT y del radio de la Tierra R, no del objeto.

Imagínenese el caso de la estación espacial internacional y un astronauta dentro, la estación está construida de un material distinto al del astronauta. Y el astronauta flota dentro de la estación, es decir, cae a la Tierra con la misma aceleración que la estación espacial. Si no fuese así el astronauta chocaría contra el suelo de la estación (o la pared) y le parecería que existe una gravedad artificial dentro de la estación espacial.
Los primeros experimentos fiables para determinar la diferencia entre masa gravitatoria y masa inercial fueron realizados en 1586 por Simon Stevin y Galileo más tarde participo en su difusión y comprobación. De esta manera se demostraba que la creencia introducida por Aristóteles hacia más de 2000 años de que los objetos más pesados caían más rápidamente que los más livianos era falsa. Con esto quiero que vean que no siempre los conceptos más aceptados son verdaderos. Todo es verdad hasta que se demuestra lo contrario, y en ciencia también. Por eso se gasta tanto dinero en hacer experimentos carísimos, para comprobar los conceptos más elementales.
Más tarde Newton utilizó la medida del período de un péndulo construido con diferentes materiales y no halló diferencia. El período de un péndulo es el tiempo que tarda en ir y volver y depende de la longitud del péndulo, de la aceleración de la gravedad y del cociente entre la masa inercial y la masa gravitatoria. La ecuación del periodo es la siguiente

Entre 1887 y 1919 se realizaron dos grandes experimentos decisivos para la fundación de la teoría de la relatividad. El experimento de Michelson-Morley para determinar la velocidad de la Tierra respecto el éter (ver "El Experimento de Michelson-Morley") y el experimento del Barón Roland Von Eötvos para determinar el principio de equivalencia débil. Midió la aceleración de objetos de diferente composición (platino, cobre, madera) y en distintos lugares de la Tierra. Todos los resultados indicaban que la masa inercial y la gravitatoria no variaba de un material a otro en más de 5 partes en 10^9. Que es lo mismo que decir que la masa gravitatoria y la inercial son iguales.

Este resultado es muy importante ya que marca el comienzo de la teoría general de la relatividad. Einstein utiliza la igualdad entre masa inercial y masa gravitatoria para decir, más o menos, que las medidas realizadas dentro de un sistema de referencia no pueden distinguir si este sistema se encuentra sometido a un campo gravitatorio (que le proporciona una aceleración) o a una aceleración uniforme generada por cualquier otra fuerza. Este enunciado se conoce como principio de equivalencia fuerte y es la base para describir la gravedad como una curvatura en el espacio-tiempo. Por ahora no nos compliquemos más en este apartado.
Dada la importancia de este experimento se ha repetido varias veces. Robert H. Dicke en Princeton en el año 1964 utilizó oro y aluminio y ajusto el valor de la equivalencia a 1 parte en 10^11. En 1971 Braginsky y Panov en Moscú repitieron el experimento con platino y aluminio llegando a una equivalencia de 1 parte en 10^12.

Utilizando el reflector lunar instalado en la Luna desde 1969 (ver "Desde la Luna las estrellas no se ven") se pueden observar los efectos orbitales de una posible diferencia en la aceleración entre la Tierra y la Luna en torno del Sol como consecuencia de la diferente composición química entre la Tierra y la Luna. La Tierra es más rica en hierro que la Luna . Es lo que se conoce como efecto Nordtvedt, (debido a Kenneth L. Nordtvedt) indica que la energía gravitatoria propia de un objeto contribuye a la masa gravitatoria pero no a la masa inercial. Los resultados indican que no existe ninguna diferencia entre la aceleración de la Tierra y la Luna hacia el Sol.
En 1986 Fischbach reinterpreto los resultados de Eötvos indicando que el error en la precisión de las medidas era suficiente para suponer la existencia de una quinta fuerza opuesta a la gravedad a la que llamó hipercarga y que solo actuaba a una distancia inferior a los 200 metros. Se hicieron numerosas revisiones de estos experimentos, algunos en lo alto de torres y otros en las profundidades de minas. Después de revisar estos experimentos se llegó a la conclusión que esta quinta fuerza no existe.
Podemos concluir pues que dentro de los límites experimentales no hay distinción entre la masa gravitatoria y la masa inercial. Como consecuencia no se puede distinguir una aceleración de un campo gravitatorio. La aceleración no es absoluta al igual que la velocidad. La aceleración de un sistema de referencia es equivalente a un campo gravitatorio causado por una distribución de masa adecuada (ignorando los efectos de marea). Este resultado tiene una gran implicación entre la Relatividad Especial y la Relatividad General. Tema que dejo para otro post, este ya me ha salido demasiado liado.

La conexión cósmica

Existen dos zonas en torno del Sistema Solar que contienen rocas de hielo dispuestas a convertirse en cometas. El cinturón de Kuiper y la nube de Oort. De tanto en tanto alguna de las rocas de hielo de estas zonas son aceleradas hacia dentro del sistema solar. Si pasan suficientemente cerca del Sol, empiezan a evaporarse produciendo una cola visible y aparece un nuevo cometa. La mayoría de los cometas tiene periodos orbitales entre 20 y 200 años (como el cometa Halley) y periodos mucho más largos entre 1 y 30 millones de años. Los de periodo más corto proceden del cinturón de Kuiper y los más largos de la nuble de Oort. Hipótesis realizada por Jan Oort en 1950, puesto que estos cometas procedían de inclinaciones muy grandes respecto de la eclíptica no podían proceder del cinturón de Kuiper.
El cinturón de Kuiper es una región que se mantiene cerca del plano de las orbitas de los planetas y se extiende entre 30 y 500 UA del Sol, se extiende más allá de la órbita de Neptuno. En Julio de 2005 se descubrió un objeto denominado Eris (nombre de la diosa griega de la discordia) que orbita el Sol en 560 años a una distancia entre 38 y 98 UA (Unidades Astronómicas, que es la distancia de la Tierra al Sol) con una superficie parecida a Plutón pero más grande incluso con una luna, denominada Disnomia. Este descubrimiento quito a Plutón el tratamiento de planeta, sino fuera así cada vez que se descubre un objeto mas allá de Plutón habría que ampliar la colección de planetas del sistema solar. La misión de la NASA New Horizons llegará a Plutón en 2015 y penetrara en el cinturón de Kuiper para estudiar estos objetos. Se supone que existen más de 100.000 objetos en este cinturón con diámetros de 100 km de media.
En cambio la nube de Oort consiste en un halo esférico entorno del Sistema Solar con un radio de 50.000 UA. Puesto que los astrónomos descubren un cometa de largo periodo al mes, es razonable suponer que existen una gran cantidad de rocas en la nuble de Oort, algo así como 5 billones. Pero como la nube de Oort se encuentra tan lejos no es posible ver estos objetos directamente.
Seguramente esta nube se formo hace 4500 millones de años a partir de los numerosos objetos de hielo que orbitaban el Sol cerca de los planetas gigantes (Jupiter, Saturno, Urano y Neptuno), las interacciones gravitacionales de estos objetos con los planetas grandes actuó como una honda que lanzo a estos hacia las profundidades del espacio en orbitas muy elípticas, hasta adquirir una forma esférica por las fuerzas gravitacionales con las otras estrellas. Precisamente las sondas Pioner y Voyager utilizaron esta interacción gravitacional para lanzarse fuera del sistema solar.

Estudios recientes sugieren una estructura más compleja para la nube de Oort, consiste en un nube interna ligada con el cinturón de Kuipier en el plano de la eclíptica y otra externa esférica.

Un cometa puede perder entre un 0.5% y 1% de su hielo cada vez que pasa cerca del Sol. Después de 100 o 200 pasadas el hielo queda completamente vaporizado y el cometa puede romperse en fragmentos. Algunos de estos fragmentos pueden coincidir con la órbita de la Tierra y llegar a colisionar. Uno de estos fragmentos fue el causante de la espectacular explosión de Tunguska
¿Como puede ser que las rocas de la nube de Oort se acerquen de tanto en tanto al interior del sistema solar?. Para ello hay que tener en cuenta que el sistema solar no solamente se mueve en torno del centro galáctico (A que velocidad se mueve la Tierra? ) sino también hacia arriba y abajo del plano galáctico. El plano galáctico está formado por estrellas, nubes moleculares y polvo interplanetario.
Consideremos el movimiento vertical a través de la coordenada z (positiva hacia arriba), según el dibujo siguiente

Puesto que la mayor concentración de estrellas, nubes y polvo se encuentra en el plano galáctico, a medida que el sistema solar se aleja de él hacia arriba o hacia abajo la densidad es menor. Veamos como actúa la fuerza de la gravedad del material del plano galáctico sobre el movimiento del sistema solar. Al alejarse del plano con velocidad vertical hacia arriba la fuerza de la gravedad tiende a que vuelva al plano galáctico. Es decir tiene aceleración negativa, esto quiere decir que el sistema solar se va frenando en su movimiento vertical ascendente (según el esquema) tarde o temprano adquiere velocidad cero y vuelve hacia el plano. Pero no lo hace a velocidad constante, se va acelerando pues la materia del plano galáctico lo atrae con la fuerza gravitatoria, si hay fuerza hay aceleración. En el momento que el sistema solar pasa por el plano galáctico lo hace a su máxima velocidad y lo atraviesa. Ahora viaja hacia valores de z negativas (según el esquema) y vuelve a frenarse hasta que la materia del plano galáctico lo vuelva a atraer y empiece un nuevo ciclo.

Efectivamente, el movimiento del sistema solar a través del plano galáctico es parecido al de un péndulo, es lo que se denomina movimiento armónico simple. La ecuación que determina su aceleración es la siguiente

Muy brevemente, los dos puntos sobre la letra zeta significa aceleración (segunda derivada), si fuese un solo punto seria la velocidad (primera derivada). Pero lo interesante es el comentario de la ecuación para que se entienda. La aceleración del Sistema Solar depende de la constante de gravitación universal G, de la densidad de materia en la zona que atraviesa y sobretodo de la distancia al plano galáctico, que es la coordenada z y todo con el signo menos. Pues bien, a mayor distancia (z) la desaceleración es mayor (aceleración negativa). Es decir, el Sistema Solar en su movimiento hacia el exterior del plano galáctico se va frenando cada vez más. Al irse frenando llegara un momento en que su velocidad será cero, pero la aceleración no desaparece. En este instante el movimiento del Sistema Solar cambia de sentido y se acelera (aumenta la velocidad) hacia dentro del plano galáctico.

Comparen el movimiento con el de una masa sujeta a un muelle vertical oscilando, la ecuación es la misma y el movimiento también. Un movimiento armónico simple.

Bien, hay algo más, el detalle final. Ahora ya conocemos el movimiento del Sistema Solar en el plano vertical galáctico. En este movimiento oscilatorio las fuerzas gravitatorias del resto de la materia del plano galáctico que atraviesa originan sobre la nube de Oort fuerzas de marea. Es como las mareas de la Tierra provocadas por la Luna. ¿Cómo funciona?
La cara de la Tierra más cercana a la Luna está sometida a una fuerza de gravedad mayor que el centro de la Tierra y la cara más lejana está sometida a una fuerza menor que el centro de la Tierra. Esto es lo que se conoce como efecto de marea, un mismo cuerpo es sometido a fuerzas diferentes provocadas por otro objeto. Puesto que la Tierra se encuentra sometida a fuerzas diferentes. Desde el sistema de referencia del centro de la Tierra se nota que una cara tira hacia la Luna (cara cercana a la Luna) y otra en dirección contraria a la Luna (cara más lejana). Estas fuerzas tienden a deformar a la Tierra, como esta es rígida se deforma poco. Pero el agua de los océanos si se deforma y adquiere la forma de un balón de rugby.

Cortesia de Windows to the Universe http://www.windows.ucar.edu

La nube de Oort en su viaje junto al Sol a través del plano galáctico se encuentra con diferentes densidades de materia que ejercen fuerzas de marea. En el plano galáctico la densidad es mayor que fuera, así cuando la nube de Oort sube hacia arriba la fuerza de gravedad es mayor hacia abajo y esta fuerza se invierte una vez atravesado el plano galáctico. Al pasar por el plano galáctico se producen encuentros cercanos con estrellas y nebulosas. Puesto que el movimiento vertical del sistema solar es periódico, las fuerzas que marea también tendrían que aparecen periódicamente. Estas fuerzas de marea distorsionan la nube de Oort y provocan perturbaciones en las orbitas de las rocas. Algunas de estas se convierten en cometas y pueden llegar a provocar bombardeos periódicos sobre la Tierra, en escalas geológicas de tiempo entre 25 y 35 millones de años. Siendo responsables de las extinciones masivas de la vida y la posible transferencia de microorganismos (extremofilos) desde la Tierra bombardeada a la nebulosa que interfiere en la nube de Oort.
Sir Fred Hoyle era un acérrimo defensor de esta teoría, creyendo incluso que estos cometas gigantes han condicionado la evolución y la civilización. Según el estudio de cráteres lunares se sospecha que las colisiones del tipo Tunguska suceden en una escala geológica entre 300 y 100 años. Estas colisiones son posibles si la Tierra intercepta los escombros de un cometa gigante desintegrado. Esta fragmentación pudo originarse hace 20.000 años (según Fred Hoyle, S.V.M Clube, W.M. Napier y N.C Wickramasinghe) y el encuentro periódico con estos fragmentos han condicionado las religiones, mytologias, creencias y la propia historia.
En Groenlandia, la temperatura aumento hace 14700 años y en pocas décadas la temperatura era parecida a la actual. Pero al cabo de poco la tendencia se invirtió y a lo largo de unos miles de años se volvió a enfriar hasta llegar al mínimo hace unos 12000 años aproximadamente. Las temperaturas eran 15ºC más bajas que las actuales. Este periodo frio se conoce como el Younger Dryas y terminó hace 11500 años cuando las temperaturas subieron definitivamente. Efectos parecidos se han encontrado en otros lugares de la Tierra, con ligeras desviaciones. Este período marca el final del Pleistoceno y el comienzo del Holoceno, el último período interglaciar del Cuaternario. Llegando a una temperatura media de la superficie de la Tierra entre 14ºC-15ºC.
¿Podría ser que estos cambios se produjeran como consecuencia de las colisiones con cometas? ¿Los viejos mitos de seres celestiales sobre batallas en los cielos entre los dioses podrían tener sus orígenes en estos impactos?.
Si es así, la conexión cósmica de la que tanto hablan los iluminados sería producida por las colisiones periódicas con rocas perturbadas de la nube de Oort. Incluso estas al producirse cuando nos encontramos atravesando una nube molecular se produce un intercambio de aminoácidos (Descifrando el código genético). Se han encontrado aminoácidos en meteoritos y nubes interestelares. Curiosamente nuestras proteínas están formadas por aminoácidos levógiros (L-aminoácidos), exceptuando algunos dextrógiros (D-aminoácidos) en algunas paredes celulares bacterianas. Básicamente las células terrestres solamente pueden sintetizar los L-aminoácidos. La distinción entre Levógiro (que gira a la izquierda) u Dextrógiro (que gira a la derecha) tiene que ver con la estructura molecular. Es parecido a cerrar los puños de las manos y levantar el pulgar. Los dedos de la mano derecha giran en sentido contrario a los de la mano izquierda. Para los L-aminoácidos su cadena molecular gira hacia la izquierda (es un poco más complicado pero a estas alturas no vale la pena liarlo mas).
¿Podría ser que la luz polarizada de las estrellas de neutrones destrozara los aminoácidos dextrógiros y los que quedaron cayeron a la Tierra hace 4500 millones de años como sugiere Ronald Breslow?.