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fisica revista
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Agosto diciembre 2011
Revista realizada por alumnos de
La palma de la mano:
los aceleradores.
del origen hasta el lhc
AO I
Nmero 1
Tomada de: joaomigesteves.blogspot.com
Vistazo a una
Loca teora de
(TODO ES CUERDAS)
Tomada de: fc08.deviantart.net
Tomada de: williams.edu
La Relatividad
General: la gran
DE EINSTEIN
cmo creamos
era el cosmos
Historia de la
Tomada de: en.wikipedia.org
Universidad de Guanajuato Campus Len Divisin de Ciencias e Ingenieras
tomos provistos de conciencia, materia
dotada de curiosidad.
Richard Feynman
Nmero dedicado a
y dnde est esa
Cosa llamada
Fsica de partculas:
Tomada de: 5minorless.blogspot.com
UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO
Campus Len
Divisin de Ciencias e Ingenieras
VISIN
Ser una institucin con prestigio internacional en fsica y otras reas
afines, formada por Cuerpos Acadmicos de profesores-
investigadores con las ms altas acreditaciones a nivel nacional e
internacional, con un ambiente propicio para el desarrollo de
actividades de investigacin, docencia y extensin, para beneficio de
la regin, del estado y del pas.
MISIN
Institucin comprometida con el desarrollo de la sociedad mexicana
mediante la realizacin de tres actividades fundamentales para el
progreso del pas:
1) Investigacin de frontera en ciencia bsica y aplicada, en fsica
y otras reas afines, con calidad internacional.
2) Formacin de recursos humanos de alto nivel en los programas
de Licenciatura y Posgrado.
3) Promocin de vocaciones cientficas en jvenes y nios
mediante actividades y programas de divulgacin.
OBJETIVOS
1) Generar conocimiento cientfico y tecnolgico de calidad en las
reas de especialidad de la Divisin.
2) Formar recursos humanos de alto nivel en las reas de
especialidad de la Divisin.
3) Vincularse con los sectores acadmico, productivo,
gubernamental y social.
4) Operar sobre las bases de indicadores nacionales e
internacionales en materia de productividad y eficiencia
acadmica.
fisica.ugto.mx
Un beneficio ms de la nueva organizacin universitaria
y
Z
no de los problemas que actualmente se enfrenta en la ciencia est muy estrechamente ligado a la manera en que sta
se relaciona con el entorno social. La actividad cientfica permanece ajena, en la mayora de los casos, a un amplio
sector de la poblacin. La especializacin que la investigacin requiere para poder realizarse con plenitud ha contribuido
si es que no ha sido el culpable absoluto al aislamiento de los nuevos descubrimientos, de las nuevas ideas. Resulta
complicado, cuando no imposible, intentar un acercamiento al extrao mundo del desarrollo del pensamiento si no se
cuenta con una avanzada instruccin y un cierto domino de la materia, pues al igual que el dialecto de un pas lejano y
antiguo (que no alcanza ya la categora social de lengua), el idioma de los hombres de ciencia es incomprensible y
extrao; sus recnditas reglas y significados carecen de todo sentido para el extranjero que les escucha.
Una de las obligaciones del pensamiento cientfico es transmitirse a s mismo, propagarse, a travs de las ideas,
de una cabeza a otra, como una ola que toca las orillas opuestas de un mismo estanque. La ciencia no slo genera
nuevos conocimientos sobre el mundo y sobre nosotros, tambin instruye y educa a quienes se acercan honestamente a
ella. Los vuelve ms difciles de engaar y menos ingenuos.
Mediante esta pequea obra de divulgacin pretendemos acercar a la mayor cantidad de sectores sociales que
nos sea posible los conceptos que han moldeado nuestras teoras y le han dado forma a nuestra manera de percibir el
mundo y sus extraezas. Adems, abiertamente discutimos y mostramos los problemas de vanguardia; la frontera
misma de la ciencia. Pretendemos que el lector observe desde una alta cumbre -que la comprensin le habr ayudado a
subir el desarrollo de la batalla que se lleva a cabo en los campos del conocimiento, permitindole juzgar sin prejuicio
su desenlace. El nombre de la revista clama la apremiante necesidad de hacer conciencia por adentrarse en el espritu
curioso de la ciencia, de la sabidura y de la crtica, de usar la razn para perseguir el conocimiento, para resolver
nuestros problemas y para trazar un futuro mejor, que tanto urge en nuestra sociedad actual.
En este primer nmero, los artculos que integran la revista han sido redactados ntegramente por estudiantes
del ltimo ao de la licenciatura en fsica. Los temas que se abordan son del inters y estudio de quienes los han escrito,
as que el lector puede confiar plenamente en que la informacin que sobre estas pginas se vierte, por ms extraa
que pueda parecer, no falta en un solo punto a la verdad.
Esperamos que su lectura se disfrute tanto como hemos disfrutado en su elaboracin.
Los Editores
U
Agosto Diciembre 2011 Universum 17.
Revista de Divulgacin CIENTFICA
- D I R E C T O R I O - ALEJANDRO GIL-VILLEGAS MONTIEL Universidad de Guanajuato, Campus Len Director de la Divisin de Ciencias e Ingenieras REDACCIN Y EDICIN Ernesto Barrientos Rodrguez Juan Carlos De Haro Santos Roberto Oziel Gutirrez Cota Luis Eduardo Medina Medrano Mara Paulina Rocha Morn Azarael Adonay Yebra Prez Esta revista considera sus fuentes como fiables y verifica los datos que aparecen en su contenido en la medida de lo posible; sin embargo, puede haber errores, variantes o actualizaciones de los mismos, por lo que los lectores utilizan esta informacin bajo su propia responsabilidad. Los espacios publicitarios son responsabilidad nica y exclusiva de los anunciantes. Las fotografas que aparecen en la revista son propiedad de sus respectivos autores, referenciados en las notas adyacentes a ellas bajo la leyenda Tomada de. Las imgenes con derechos, como fotografas de personajes y dibujos animados que aparecen en la seccin Frases, as como los logotipos de la Academia de Ciencias de Suecia y el Premio Nobel (p. 49) son propiedad de sus respectivos dueos y son usadas sin fines de lucro. El uso del cdigo de barras en portada es de uso visual exclusivamente, y no posee ninguna validez. Se extiende un agradecimiento especial al Dr. Alejandro Gil-Villegas Montiel por su contribucin.
ConCiencia. Nmero 1 Ao I. Mxico, 2011
MARCO ANTONIO REYES SANTOS Coordinador de Servicio Social COLABORACIONES Dalia Patricia Ornelas Huerta Marcela Rodrguez Matus Mara Ftima Rubio Espinoza Xareni Snchez Monroy
Tomado de: physics.nyu.edu
Editorial
Expansin del universo ilustrado en tres dimensiones espaciales y una dimensin temporal, luego del Big Bang.
Tomada de:
agaudi.files.wordpress.com
En portada
Fsica matemtica y gravitacin
SUMARIO
Agosto -
Y dnde est esa cosa llamada antimateria? Un evento trascendental en el desarrollo del universo se suscit en los orgenes del mismo: la supremaca de la materia sobre la antimateria, violando una supuesta simetra. Cmo podemos explicar esto?
6
19
27
En portada Los vestigios del Big Bang
El universo, tan vasto como es, est formado por tan slo un puado de elementos bsicos. Desde minsculas partculas, hasta colosales fuerzas, todo ello forma parte de este maravilloso e intrincado todo.
Un titn en la palma de la mano La experimentacin es parte esencial del quehacer cientfico. Desde el ms pequeo acelerador de partculas, hasta el LHC, todos han impactado en el desarrollo de la fsica.
Tomada de: jackeycheng.files.wordpress.com
Tomada de: upload.wikimedia.org
Tom
ada
de:
cds
web
.cer
n.ch
1. Imagen del WMAP del fondo csmico de microondas. 2. El Globo de la Ciencia y la Innovacin en el CERN. 3. Paul Dirac en conferencia en el CERN (recreacin artstica). 4. Lente gravitacional en el clster Abell 2218 (NASA). 5. Reinterpretacin de las interacciones del modelo estndar
(lneas y flechas) por la teora de cuerdas (cuerdas cerradas). 6. Telescopios de Galileo.
1
2
3
44 5
6
Fsica de Partculas y Altas Energas Mecnica Estadstica y Termodinmica Mecnica Cuntica Fsica Mdica
Nmero dedicado a
Notas Breves
Onda vs. Partcula
Camino hacia el desorden
Qu es la fibra ptica?
Un Sol para rato
Qubits El futuro de la computacin
La fsica en accin: Fsica Mdica
El fin de una era
Especiales
Oda a la unidad del tiempo y el espacio
Frases Sobre la fsica
Noticia: Premio Nobel en Fsica 2011
Carta del Director de la DCI
4
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Diciembre 2011
3350
Una loca idea de cuerdas Una de las teoras ms recientes y complejas de la
fsica, la teora de cuerdas es, al da de hoy, un
fuerte candidato para conseguir la gran unificacin:
explicar el por qu y cmo de todo.
Una idea revolucionaria A casi un siglo de su publicacin, la Relatividad General de Einstein sigue siendo una teora impactante. Habiendo desafiado a la gravedad de Newton, ha logrado superar importantes pruebas que la corroboran.
Historia de la historia Cada poca ha tenido su cosmogona particular, esto es, su percepcin del universo. Desde la antigedad con Aristteles y hasta nuestros das, pasando por el ilustre Galileo, la forma que entendemos nuestro mundo ha sido inquietante.
Tomada de: sciencedaily.com
Tomada de: http://3.bp.blogspot.com
Tom
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Agosto Diciembre 2011 ConCiencia 3.
Fsica Matemtica y Gravitacin Astrofsica y Cosmologa ptica
Por Paulina Rocha
n el ao de 1678, Christian Huygens propuso que
la luz era una onda como las del agua que se
transmita a travs de un medio llamado ter. La
luz deba de ser una onda.
Apoyado en las premisas de sus contemporneos, New-
ton, en contraposicin a Huygens, propuso que la luz est
formada por diminutas partculas, con las cuales se explica
fcilmente el fenmeno de la reflexin (basta con imagi-
nar pequeas pelotas rebotando en una superficie). Debi-
do a la enorme estatura intelectual de Newton, su teora
corpuscular fue la dominante por un periodo de un siglo
aproximadamente, mientras que la teora ondulatoria fue
olvidada. La teora de Newton pudo tambin no con nula
dificultad describir la refraccin a travs de lentes y la
separacin de la luz solar en colores mediante un prisma.
La luz deba ser partcula.
Sin embargo en 1848 vendra un contragolpe a la teora
corpuscular: se consigui medir la velocidad de la luz y se
encontr que variaba de forma totalmente opuesta a
como lo haba supuesto Newton. Debido a esto, casi todos
los cientficos aceptaron que la luz tena una naturaleza
ondulatoria. No obstante todava quedaban algunos pun-
tos por explicar, como la propagacin de la luz a travs del
vaco ya que todas las ondas conocidas se desplazaban
usando un medio material, y que la luz viajaba incluso
ms rpido en l respecto al agua o incluso al aire. Se
supona que este medio era el ter del que hablaba
Huygens, pero nadie lo consegua encontrar La luz era,
pues, onda o partcula?
Al finalizar el siglo XIX, gracias a la teora atmica, se sa-
ba que toda materia estaba formada por partculas ele-
mentales llamadas tomos. La electricidad se pens pri-
mero como un fluido, pero Joseph John Thomson demos-
tr que consista en un flujo de partculas llamadas elec-
trones, en sus experimentos con rayos catdicos. Todos
estos descubrimientos llevaron a la idea de que una gran
E
Teora ondulatoria y teora corpuscular buscaban ambas explicar la naturaleza de la luz
Un dilema que pareca interminable concluye en inslito resultado
De ser slo partculas, la luz al pasar por dos delgadas ranuras una junto a la otra, y proyectarse sobre una pared del otro lado, debera de verse como dos lneas luminosas nicamente (por donde los quantum como pelotas pasaran). Sin embar-go, al hacer el experimento, se observa que el resultado es una imagen como la que se muestra aqu, donde no son slo dos las bandas luminosas, sino muchas de ellas: este es un tpico comportamiento ondulatorio, la difraccin.
Tomada de: opticalsignature.com
Mecnica Cuntica
| |
BREVES
Agosto Diciembre 2011 ConCiencia 5.
parte de la Naturaleza estaba compuesta por partculas. Al
mismo tiempo, las ondas eran ahora bien entendidas,
junto con sus fenmenos propios como la difraccin y la
interferencia; se estaba, a la vez, convencido de que de
alguna forma, la luz tena que ser onda por presentar
estos fenmenos. Ser onda?
Cuando se alcanz el siglo XX, no obstante, aparecieron
problemas con este punto de vista. El efecto fotoelctrico,
tal como fue analizado por Albert Einstein en 1905 y que
le vali el Premio Nobel, demostr que la luz efectivamen-
te posea propiedades de partculas, y de hecho mostr se
transmita en pequeos paquetes de energa llamados
quantum, ms tarde conocidos como fotones. Partcula?
Ms adelante, la difraccin de electrones fue predicha.
Luego de experimentacin, se demostr que indudable-
mente los electrones posean propiedades atribuidas
tanto a partculas como a ondas. Difraccin de electro-
nes! Un fenmeno ondulatorio en una partcula!
Este dilema, que pareca interminable, fue resuelto por
el establecimiento de la mecnica cuntica, en la primera
mitad del siglo XX. La mecnica cuntica nos sirve como
marco de trabajo unificado para comprender que toda
materia puede tener propiedades de onda y propiedades
de partcula. Toda partcula de la naturaleza, sea un pro-
tn, un electrn, tomo o cual fuese, se describe gene-
ralmente con la ecuacin de Schrdinger. Las soluciones a
estas ecuaciones se conocen como funciones de onda,
dado que son inherentemente ondulatorias en su forma.
Pueden difractarse e interferirse, llevndonos a los efec-
tos ondulatorios ya observados. Adems, las funciones de
onda se interpretan como descriptores de la probabilidad
de encontrar una partcula en un punto del espacio dado.
De esta manera la mecnica cuntica nos permite descri-
bir en detalle el comportamiento de la materia, en parti-
cular, de lo que sucede a escalas atmicas.
Al da de hoy sabemos que la luz en realidad es una
dualidad onda-partcula
Tomada de: 7te.org Recursos: es.wikipedia.org
Oda a la unidad del tiempo y el espacio
Tiempo, oh, tiempo! cmo puedes dejarlo!
Cosas fsicas, ah, cosas, cun abundantes son!
Las aguas del milenario Ruo, cmo es que no tienen la misma fuente?
El tiempo y el espacio uno solo son, mente y materia sostenindose la una a la otra.
Tiempo, oh ,tiempo! acaso el tiempo no regresa?
Cielos, o cielos, cuntas apariencias tienen!
Desde los antiguos das, constantemente cambiando, agujeros negros, estallando.
El tiempo y el espacio uno solo son, tendrn un fin acaso?
La gran verdad es el enigma del Universo.
La hermosa verdad es la fuente de s misma.
Para cuantizar el espacio y el tiempo, los ms inteligentes nada son.
Para medir el Gran Universo con un delgado tubo, el aprendizaje es todava inmenso.
Shing-Tung Yau
(Traduccin de Azarael Yebra)
Shing-Tung Yau es un matemtico esta-dounidense de origen chino que trabaja en geome-tra diferencial y la variedad Calabi-Yau, esencial en teora de cuerdas. Sus contribuciones han tenido un impacto significativo en fsica y matemticas.
Su prueba del teorema de energa positiva en relati-vidad general demostr sesenta aos despus de su descubrimiento que la teora de Einstein es consis-tente y estable. Su prueba de la conjetura de Calabi permiti a los fsicos mostrar que teora de cuerdas es un candidato viable para una teora unificada de la naturaleza.
Tom
ada
de:
ngm
chin
a.co
m.c
n
Ruo Shui (, literalmente ro dbil) es un ro de 630 km al norte de China.
Tomada de: usyd.edu.au
La rivalidad de los dos puntos de vista parece haberse
fundido. La luz es, efectivamente, onda y partcula a la
vez.
ESPECIALES
En
Por Juan Carlos De Haro
Tomada de: hubblesite.org
Una mariposa emerge del estallido estelar de la nebulosa planetaria NGC 6302
En portada
EN PORTADA
na revolucin cientfica lleg en 1905 con la relativi-
dad de Einstein pues abri la brecha a dos de las teo-
ras modernas ms importantes: la mecnica cuntica y
la cosmologa. Con ello, y con la ayuda de la tecnolo-
ga, se descubrieron la materia y la energa oscura que se ocultaban en
el cosmos. A su vez fue Paul Dirac quien en 1928 aadi un ingrediente
fundamental: la descripcin de la antimateria. Pero, por qu no vemos
antimateria de manera natural en el universo? Como sta, nos encon-
tramos an envueltos en un gran nmero de incgnitas, que la raza hu-
mana ha tratado de contestar desde la antigedad griega hasta la ciencia
actual. Para este fin, el experimento ms ambicioso jams imaginado
toma forma en el LHC del CERN, tratando de desenterrar los secretos
del universo que nos ayudarn a comprender su mismo origen y destino.
U
EN PORTADA
Fsica de Partculas y Altas Energas Fsica matemtica y gravitacin Astrofsica y Cosmologa
El primer fsico de partculas
Imaginemos una manzana como
la que inspir a Newton para for-
mular su Ley de Gravitacin Uni-
versal (publicada en 1687) en ma-
nos de los antiguos pensadores
griegos, que partiendo el fruto a la
mitad y despus una de esas mita-
des a la mitad y as sucesivamente
con una de las mitades de la mitad
anteriormente escogida, se pre-
guntan: Habr un lmite de veces
en que puedo dividir esta manzana
o puedo cortarla infinitamente?
Fue un filsofo y matemtico grie-
go, que vivi buena parte de su vida
en el siglo IV a.C. que tratando de
contestar cul es el componente
fundamental con que se construye
la materia, el que vislumbr uno de
los conceptos ms importantes, y
que perdura hasta la actualidad: el
-tomo, que etimolgicamente
significa que no se puede cortar.
Oriundo de Abdera, ciudad capital
griega situada en la actual costa
norte de Grecia, Demcrito defien-
de en su teora atomstica que la
materia no es ms que una mezcla
de elementos fundamentales que
poseen las caractersticas de inmu-
tabilidad (eternidad) e indivisibili-
dad, concebidos como entidades
infinitamente pequeas y, por tan-
to, impercepti-
bles para los
sentidos, que
segn el agru-
pamiento de
estos tomos las
propiedades de la
materia varan.
La obra de Einstein A inicios del siglo XX, sucesos
como los descubrimientos de los
rayos X en 1895 por el fsico ale-
mn Wilhelm Rntgen, la radiacti-
vidad en 1896 por el fsico francs
Henri Becquerel, adems del des-
cubrimiento de la primera partcula
elemental (un -tomo, segn De-
mcrito): el electrn que orbita al
ncleo atmico por el fsico brit-
nico Joseph John Thomson en 1897
(tro galardonado con los Premios
Nobel de Fsica de 1901, 1903
y 1906, respectivamente,
por sus hallazgos), agita-
ron a la comunidad
cientfica, ya que las
leyes de movi-
miento en las
que confiaban y
que se remon-
taban ms de
200 aos a Sir
Isaac Newton,
no podan ex-
plicar las novedosas
observaciones.
Fue un joven y hasta ese
entonces desconocido
fsico alemn quien
despus sera considera-
do como el fsico ms
importante del siglo XX, el que
desarrollara las teoras que cambia-
ran la forma en la que vemos el
universo: Albert Einstein, dotado
casi con un sexto sentido para adivi-
nar el funcionamiento de la natura-
leza, y quien pensaba en imgenes
(o experimentos mentales como l
Demcrito de Abdera
Tomada de: es.wikipedia.org
Tomada de: javiindi.com
EN PORTADA
los llamaba), una de las cuales le
llev a preguntarse qu vera un
hombre si pudiera seguirle el paso a
la luz. El resultado fue uno de los
artculos ms famosos de la historia
de la ciencia: publicado en 1905,
Sobre la electrodinmica de cuerpos
en movimiento, dara lugar a su
Teora de la Relatividad Especial.
Einstein concluy que el tiempo y el
espacio son relativos y fluyen en
modo diferente para cada observa-
dor dependiendo de su velocidad, y
revel que la energa y la masa son
dos caras de la misma moneda, a las
que vincul en la ecuacin matem-
tica ms famosa de la historia:
, con la energa total del
objeto, su masa en movimiento y
la velocidad de la luz. Esta ecua-
cin explic cmo despus del Big
Bang la energa se volvi materia,
ayud a entender la perdurable
energa solar, y dio origen a las ar-
mas nucleares.
A pesar de que las leyes de New-
ton describen los efectos de la gra-
vedad con gran precisin, nadie
haba descubierto qu la causaba.
Para cualquier persona, estos logros
habran sido suficientes, pero mien-
tras el mundo aceptaba la relativi-
dad especial, Einstein haba seguido
ya adelante y en 1915 rectific las
leyes de Newton en su Teora de la
Relatividad General al redefinir la
gravedad como la curvatura del
espa-
cio y el tiempo debido a la presencia
de materia: bajo este escenario la
Tierra orbita al Sol porque est
atrapada en la depresin de esta
malla espacio-temporal de 4 dimen-
siones que
causa la masa solar, de la misma
manera que una canica rodeara una
pelota de bolos en una sbana.
Dentro de sus logros abrumadores,
esta fue su obra maestra. En 1919
astrnomos britnicos vieron cmo
se curvaba la trayectoria de la luz
proveniente de estrellas distan-
tes al pasar cerca del Sol,
comprobando con esto
su teora
La Relatividad Especial no surgi de adecuar la teora clsica de Newton con los experimentos que la contradecan en aquellos aos, sin embargo los poda explicar. Ms an, como el ingeniero alemn Gerald Holton mantiene en su artculo Einstein, Michelson y el experi-mento crucial, Einstein no se vio empu-jado por la necesidad de explicar el expe-rimento de Michelson-Morley de 1887 (que es la base experimental de los pos-tulados de su teora y que acab con el ter que Maxwell postul a finales del siglo XIX como medio por el cual se pro-pagan las ondas de luz) a la hora de ela-borar la Teora Especial de la Relatividad. El propsito de su artculo de 1905 era, como su ttulo indica, desarrollar una electrodinmica de los cuerpos mviles basada en las leyes de la electrodinmica de Maxwell para los cuerpos en reposo, como l mismo explica en su introduc-cin. Sobre ello volvi Einstein cuarenta aos despus en sus Notas Autobiogrfi-cas: "La teora especial de la relatividad debe su creacin a las ecuaciones de Maxwell del campo electromagntico. Y a la inversa: estas ltimas no son capta-das formalmente de modo satisfactorio sino a travs de la teora especial de la relatividad".
SOBRE LA RELATIVIDAD ESPECIAL
La energa y la masa son dos caras de la
Albert Einstein en la fotografa: Einstein en bicicleta, tomada el 6 de febrero de 1933,
por Ben Mayer del Caltech, en su casa en Santa Brbara, California, 22 aos antes de
su muerte.
Foto
graf
a p
or:
Ele
na
Mar
es
Agosto Diciembre 2011 ConCiencia 9.
misma moneda: E = mc2
EN PORTADA
Curvatura del espacio-tiempo debido
a la presencia de materia.
Fue sin embargo en 1921, cuando
Einstein, aunado a sus contribucio-
nes relativistas a la fsica terica,
fue galardonado con el Premio
Nobel de Fsica por el trabajo Heu-
rstica sobre la produccin y trans-
formacin de luz realizado en su
ao maravilloso: 1905. Este traba-
jo explicaba el efecto fotoelctrico
(que consiste en la emisin de
electrones por un metal cuando se
hace incidir sobre l luz de cierta
frecuencia), dndole a la luz la
cualidad de ser onda y partcula al
mismo tiempo. Las consecuencias
de su trabajo abrieron la puerta a
una de las teoras ms importantes
de la ciencia, que Einstein nunca
acept slo porque chocaba con su
creencia de cmo haba creado
Dios al Universo: la mecnica cun-
tica. Quiz por esta razn slo
habl de su trabajo relativista en el
discurso del Nobel. Esto condujo a
Einstein en sus ltimos 30 aos de
vida, a
tratar de
unificar
la elec-
trodin-
mica con
la relati-
vidad ge-
neral para
explicar con
esto la impredecibi-
lidad de la mecnica
cuntica y descartarla. No lo logr.
De qu est hecho el Uni-verso?
Con la tecnologa de los telesco-
pios actuales y con la ayuda de la
Relatividad General, los astrno-
mos observan que galaxias y cmu-
los de galaxias se comportan como
potentes lentes gravitacionales (o
bien como lupas gigantes) debido a
su gravedad, ofreciendo un vistazo
de galaxias an ms lejanas. Esto
permite a los astrnomos pesar a
las galaxias que actan como len-
tes, ya que la desviacin de la luz
depende de la masa de la lente. Ha
resultado que las galaxias tienen
mucha ms masa de la que puede
observarse. Esto es responsabili-
dad de la misteriosa materia oscu-
ra, cuyos primeros rastros fueron
notados en 1933 y publicados en
1937 por el astrofsico profesor de
Astronoma del
Nada existe excepto tomos y espacio
Dentro de sus logros abrumadores, esta fue
Tomada de: red-estelar-webcindario.com
Un agujero negro es un foso tan profundo en el espacio-tiempo, formado del colapso de una estrella (su ncleo hace explosin) muy masiva, que nada, ni la luz de ah su nombre puede escapar de l. Se han observado en el centro de las gala-xias (incluido el ms cercano en la Va Lctea) y se cree que todas tienen uno. Esta imagen de la NASA muestra la gala-xia espiral M81, localizada a unos 12 mi-llones de aos luz. En el centro de M81 se encuentra un agujero negro supermasivo, que es aproximadamente 70 millones de veces ms masivo que el Sol.
Un ao luz es una unidad de distancia, equivalente a viajar durante un
ao a la velocidad de la luz (300 000 kilmetros en un segundo). Esta distancia
es aproximadamente 9.5 billones (un milln de millones) de kilmetros.
Viajar un ao luz en un avin supersnico la velocidad del sonido en la atmsfera
terrestre a 20 C es de 1235.52 km/hestos aviones superan esta velocidad-,
nos tomara por ejemplo, poco menos de 877 747 aos.
vaco; lo dems son opiniones. Demcrito de Abdera
su obra maestra
EN PORTADA
Tomada de: nasa.gov
EN PORTADA
Fsica de Partculas y Altas Energas Fsica matemtica y gravitacin Astrofsica y Cosmologa
California Institute
of Technology (Cal-
tech) Fritz Zwicky,
que observ que la
gravedad causada
por los cmulos de
galaxias era dema-
siado grande para
ser causada por la
masa observable
detectada y una ley
de fuerza gravita-
cional Newtoniana.
No fue sino hasta
finales de los 60's
que la astrnoma
estadounidense
Vera Rubin observ
para una sola gala-
xia, la galaxia espiral ms cercana
Andrmeda, que las estrellas an
ms lejanas del agujero negro en su
centro, causante de la gravedad que
sienten los sistemas y estrellas de la
galaxia, orbitaban igualmente rpi-
do que las ms cercanas al centro,
en desacuerdo nuevamente con la
ley de Newton, segn la cual la
atraccin gravitacional deba debili-
tarse con la distancia, otorgando
con esto la evidencia ms convin-
cente de la existencia de una mate-
ria oscura. Explicaciones alternativas
a la materia oscura como dinmica
Newtoniana modificada no pueden
reconciliarse con las observaciones
de las lentes gravitacionales o son
tericamente problemticas, por lo
que la materia oscura es actualmen-
te aceptada por la mayora de la
comunidad cientfica aunque an no
se haya observado directamente. De
esta manera la materia oscura es la
responsable de la estructura a gran
escala del universo, une a las gala-
xias en enjambres e impide que las
estrellas de stas se dispersen; evi-
ta, pues, que las galaxias se desmo-
ronen. Lo que se
busca entonces es
algo que tiene masa
pero que no est
hecho de tomos
(en el sentido qu-
mico electrones
orbitando un ncleo
de protones y neu-
trones, no de to-
mos de Demcrito),
que est en todas
partes pero que no
se ve
En pocas de la
recin llegada rela-
tividad general, el
universo se pensaba
como una gran coleccin de estre-
llas fijas para siempre en el vaco, y
esta idea, a decir verdad, no le des-
agradaba al mismo Einstein. Pero
esta concepcin tena un final fatdi-
co, el universo deba colapsarse bajo
su propia gravedad (un cuerpo muy
masivo atraera ms cuerpos, vol-
vindose ms y ms masivo). Eins-
tein tuvo que introducir en sus
ecuaciones (que dicho sea de paso
no admiten soluciones estticas del
universo) un factor arbitrario: una
constante cosmolgica, tal que
mientras la gravedad atraa a los
objetos celestes acercndolos, este
factor adicional una especie de
antigravedad los separaba. Era
justo lo que se necesitaba para
mantener inmvil al universo. Sin
embargo, catorce aos despus, en
1929, el astrnomo estadounidense
Edwin Hubble
La lente gravitacional se encuentra entre un observador y un objeto distante, el obser-vador puede ver al objeto debido a que la lente curva el espacio tiempo. Es tambin posible
observar varias imgenes de un mismo objeto debido a este efecto.
Tomada de: astronoo.com
Composicin del cosmos y sus porcentajes. Tomada de: lsst.org
EN PORTADA
descubri que las galaxias se aleja-
ban rpidamente de la Va Lctea,
derrotando al universo esttico y
su constante cosmolgica (por
ahora) y proporcionando adems
una de las tres evidencias que
comprueban la teora del Big Bang,
que explica el origen del universo a
travs de la colosal explosin de un
punto infinitamente denso (llama-
do singularidad espacio-temporal),
semejante a un agujero negro que
contena todo cuanto existe.
La pregunta ahora era qu tan
rpido se expanda al universo?
Todos los materiales del universo
se atraen entre s debido a la gra-
vedad y lgicamente eso hara
disminuir la velocidad de ex-
pansin del universo, lo que no
sabemos es en qu punto est esa
disminucin, si algn da la expan-
sin se detendra y el universo
colapsara o si seguira expandin-
dose eternamente cada vez ms
lento declar el astrofsico Saul
Perlmutter en justificacin al pro-
yecto que encabez para este fin
en 1998 y que le vali reciente-
mente el Premio Nobel de Fsica
del 2011. Lo que descubri no
tena precedentes: no slo la ex-
pansin no se estaba deteniendo
sino que se estaba acelerando,
expandindose cada vez ms rpi-
do. La cantidad de fuerza necesaria
para causar la aceleracin era ex-
traordinaria, la llamaron: energa
oscura. As, quizs Einstein estaba
en lo correcto por razones equivo-
cadas y su error se convirti en uno
de sus discernimientos ms pro-
fundos. La necesidad ha vuelto, y
la constante cosmolgica estaba
esperando dice Adcam Riess, del
Instituto de Ciencia del Telescopio
Espacial, otro de los descubridores
de la aceleracin. Es totalmente
un concepto einsteniano.
Finalmente en el universo no fal-
taba nada, estaba compuesto por
un 4% de materia (y antimateria
como veremos adelante), con la
que estamos familiarizados, un
21% de materia oscura (determi-
nado en base a sus efectos gravita-
cionales y que no puede ser ma-
yor), que nadie encuentra, y un
enorme 75% de una nueva energa
oscura que nadie poda compren-
de. Haba nacido, entonces, un
modelo estndar de cosmologa.
Tomada de: nuestropensar.com
Cerca de Ginebra, aproximadamente a 100 metros bajo terrenos franco-suizos, se extiende una dona metlica de 26 659 metros de cir-cunferencia (un radio de 4 243 metros) cotizada en ms de 6 000 millones de dlares, cuya construccin iniciada en 1994, tom cerca de 14 aos: el LHC (por las siglas en ingls de Gran Colisionador de Hadrones) del Centro Europeo para la Investigacin Nuclear CERN. Dotada con 9 300 mag-netos enfriados a -271.3 C (1.2 Kelvin), esta colosal mquina acelera hadrones (partculas compuestas por quarks, como el protn y el neutrn que estn en el ncleo de cualquier tomo) a 99.9999991% la velocidad de la luz y los hace colisionar entre s en una cavidad tan vaca como el espacio interplanetario, generando en la colisin temperaturas 100 000 veces mayores que la del centro del Sol, concentradas en un espacio mi-nsculo, recreando con esto un mini Big Bang en el laboratorio.
Regin geogrfica de la ubicacin del LHC en las instalaciones del CERN, en maysculas se muestra la ubicacin de los detectores donde hacen colisionar a los protones.
LA MQUINA MS GRANDE DEL MUNDO
EN PORTADA
Fsica de Partculas y Altas Energas Fsica matemtica y gravitacin Astrofsica y Cosmologa
Antimateria? A finales de los aos 20's del siglo
pasado, las dos grandes teoras de la
fsica, la mecnica cuntica y la
relatividad, ya haban sido formula-
das y verificadas, slo quedaba
unificarlas. La tarea no es sencilla,
pero en 1928 el paso ms importan-
te desde entonces fue hecho por el
fsico terico britnico Paul Dirac
quien formul una ecuacin elegan-
te que lleva su nombre, que cumple
con los requerimientos de la relati-
vidad especial de Einstein y que
incorporaba como regalo extra el
spin (un nmero cuntico de valor
fijo que denota el movimiento gira-
torio de la partcula sobre s misma,
anlogo al movimiento rotacional
terrestre) de las partculas que for-
man la materia. Como si esto no
fuera suficiente, dicha ecuacin
predeca la existencia de antimate-
ria, formada por antipartculas.
Desde entonces, se han ido detec-
tando experimentalmente muchas
de dichas antipartculas, las cuales
no son ms que las gemelas con
carga opuesta a la partcula corres-
pondiente. Carl D. Anderson, en el
Caltech, descubri el positrn que
es un electrn de carga positiva en
1932, veintitrs aos despus, en
1955, Emilio Segr y Owen Cham-
berlain, en la Universidad de Berke-
ley, descubren el antiprotn y anti-
neutrn. Gracias a la proporcionali-
dad de energa y masa dada por
Einstein, se pudo entender por qu
las tremendamente energticas
colisiones de dos protones en el
LHC, producan millones de partcu-
las diferentes, entre ellas las nom-
bradas antipartculas. No fue hasta
1995, que el CERN anunci la crea-
cin de nueve tomos de antihidr-
geno (un positrn orbitando a un
antiprotn) en el experimento
PS210, liderado por Walter Oelert y
Mario Macri.
Habiendo disipado el carcter
mstico que pudiera haberse tenido
sobre la antimateria y vindola
pues como una componente ms
de la naturaleza (partculas de
ciertas caractersticas observadas
en experimentos de colisin), es
sorprendente que el universo no
tenga cantidades iguales de mate-
ria (formada por protones, neutro-
nes y electrones) y antimateria
(formada por antitomos de anti-
protones, antineutrones y positro-
nes) de manera natural. Para re-
solver este dilema se plantearon
tres posibilidades:
1. As se cre el universo (con una
cantidad diferente de materia
que de antimateria).
2. Simplemente no hemos podido
observar la antimateria (regiones
del universo compuestas por an-
timateria que no se han descu-
bierto), o bien,
3. Asumimos que el universo fue
creado con las mismas
cantidades de materia
que de antimateria y
que algunas interaccio-
nes entre estas part-
culas contribuyeron a
un pequeo desequi-
librio que termin
por aniquilar a la
antimateria, dando
la supremaca a la
materia ordinaria.
Todo est hecho de tomos, en cada tomo hay un ncleo de protones y neutrones orbitado por electrones. En cada protn y en cada neutrn se encuentran 3 quarks, de los 18 existentes. Existen sin embargo ms part-culas que no se agrupan en tomos y se en-cuentran libremente en el espacio. El modelo estndar de la fsica de partculas es una teo-ra que describe a las partculas que compo-nen el universo de manera matemtica, pero an no ha madurado por completo ya que no puede explicar ciertas caractersticas del uni-verso que observamos, como: La existencia de materia oscura,
La presencia de ms materia que de antimateria.
Adems predice la existencia de la escu-rridiza partcula de Higgs que an no se ha podido descubrir, para generar la ma-sa de todo cuanto vemos.
Esfuerzos tericos se realizan para la solucin de estos problemas con ampliaciones del mo-delo estndar que predicen la existencia de nuevas partculas, como las supersimtricas, que deberan aparecer en los experimentos de colisionadores.
tomo de carbono (esquema).
PARTCULAS
Tomada de: taringa.net
Tomada de: fotolog.com
Paul Dirac
EN PORTADA
La segunda opcin fue descartada
dado que la antimateria slo se
produca en las colisiones de los
aceleradores o en choques de rayos
csmicos (que es el evento natural
que un colisionador recrea), adems
de la no evidencia de antimateria en
el universo de manera natural. La
rivalidad filosfica entre los argu-
mentos uno y tres (ya que en gene-
ral se pudiera inclinar por cualquiera
de estos) fue disipada en 1964 por
el hallazgo de que partculas y anti-
partculas se comportan de manera
levemente diferente y con esto
interacciones entre estas pudieron
contribuir a un pequeo desequili-
brio, sin embargo el dilema de este
favoritismo natural hacia la materia
no ha sido an resuelto.
Algunas preguntas sin contestar
Qu es la masa? Por qu las
diminutas partculas pesan lo que
pesan, y por qu algunas partculas
no tienen masa en absoluto? En la
dcada de los 1960 el fsico esco-
cs Peter Higgs propone un meca-
nismo para otorgarle masa a todas
las partculas elementales, predi-
ciendo una nueva partcula conoci-
da como bosn de Higgs. Con esto
se daba un origen (hasta el mo-
mento matemtico) a la masa,
basados en una partcula hipotti-
ca esencial para el funcionamiento
del modelo estndar de la fsica de
partculas.
Ciertas incgnitas de las actuales
teoras de la fsica que no han sido
resueltas, fueron la motivacin
para la construccin del LHC, que
ayudar a los cientficos a respon-
der preguntas clave que determi-
narn el origen y destino del uni-
verso, tales como:
Cul es el origen de la masa?
La partcula de Higgs es muy masi-
va, pero si realmente est ah, debe-
ra hacer su aparicin en el LHC, sin
dudas, por la gran energa que ma-
neja.
De qu est hecho el 96% del universo?
Investigar la naturaleza de la ma-
teria y energa oscura es uno de los
desafos ms grandes en la actuali-
dad para la fsica de partculas y la
Usando la mecnica newtoniana, podemos pensar en la masa como la oposicin que ejerce un cuerpo al movimien-to: cuanto ms pesado sea un objeto, mayor fuerza debemos emplear para acelerarlo. En este sentido, una for-ma de simular que un cuerpo tiene ms masa es sumergirlo en un l-quido viscoso, de manera que ser necesaria una fuerza mayor para llegar a la misma aceleracin, como si el cuerpo tuviera una masa efectiva ms grande. Cuanto mayor sea la interaccin entre el cuerpo y el fluido, ma-yor ser la oposicin al movimiento. La partcula de Higgs acta de mane-ra similar, interactuando con las otras partculas elementales: cuanto ma-yor es la interaccin, ms grande es la masa que se genera para ellas.
EL BOSN DE H IGGS
EN PORTADA
Si el Higgs realmente existe, debera hacer su aparicin en el LHC
cosmologa. En el CERN se busca-
rn partculas supersimtricas para
probar una hiptesis probable de
la composicin de la materia oscu-
ra.
Por qu ya no vemos antimateria?
Vivimos en un mundo de mate-
ria, de alguna manera, una diminu-
ta fraccin de materia tuvo que
sobrevivir para formar el universo
actual, con apenas nada de anti-
materia restante. Por qu la natu-
raleza tiene este aparente favori-
tismo? El experimento LHCb del
CERN buscar diferencias entre el
comportamiento de materia y
antimateria para contestar a esta
pregunta.
De verdad existen dimensiones extra en el espacio?
Einstein mostr que las tres di-
mensiones espaciales estn rela-
cionadas con el tiempo. Teoras
modernas actuales proponen la
existencia de dimensiones extras
ocultas en el espacio; stas debe-
ran ser descubiertas a energas
muy altas, por lo que los datos de
todos los detectores sern cuida-
dosamente analizados para buscar
seales de dimensiones extra.
La tecnologa actual y en general
el mundo como lo conocemos hoy
en da, no se acercaran siquiera a
la versin precaria de estos, que
sin duda prevalecera sin la curiosi-
dad inherente de la ciencia y de
quienes la practican. Entre ms se
indaga, ms preguntas emergen y
viene a la mente lo que podra ser
la versin moderna de lo que algu-
na vez dijo Scrates, en palabras
del astrofsico britnico Michael
John Disney: El mayor obstculo
para que la ciencia progrese, es la
ilusin de que ya lo sabemos todo
cuando no es as.
Tomadas de: nasa.gov
Esfuerzos en paralelo se realizaron en el presente 2011 en la misin STS-134 de la NASA, con la puesta en rbita del Espectr-metro Magntico Alpha (AMS-02) a bordo del transbordador espacial Endeavour. El AMS-02 es un detec-tor de partcula dispositivo como los empleados en el LHC del CERN que ser retirado de rbita en el 2028, y que estudiar con un deta-lle sin precedentes, la masa, carga elctrica y energa de las partcu-las y ncleos atmicos que llegan a la Tierra en los rayos csmicos del espacio exterior. Se espera que el instrumento detecte trazas de an-timateria csmica natural, seales de materia oscura o tal vez fen-menos nuevos como la existencia de la nombrada materia extraa.
Pruebas del AMS-02 en Ginebra, Suiza (arriba izquierda),
Endevour esperando en la NASA, despegando y unido a la estacin
espacial (arriba derecha, abajo iz-
quierda y abajo derecha respecti-
vamente).
AMS-02 EN EL ENDEAVOUR
Max Plank Investigation. Revista Cientfica de la Sociedad Max Planck. Edicin especial, 2010.
BARTUSIAK, Marcia. Ms all del Big Bang, el universo en evolucin de Einstein.
Horizontes cientficos (BBC). La sinfona inacabada de Eintein, y De qu est hecho el Universo?.
LEDERMAN, Leo. La Partcula Divina - Si el Universo es la Respuesta Cul es la pregunta?
public.web.cern.ch nasa.gov
R E C U R S O S
Tomadas de: nasa.gov
EN PORTADA
Por Xareni Snchez
xiste una gran cantidad de sistemas cuyas
propiedades pueden ser descritas por par-
metros macroscpicos que estn relacionados
al comportamiento de dichos sistemas llamados termodi-
nmicos, parmetros tales como el volumen, la tempera-
tura, la energa y otros. La termodinmica clsica trata las
relaciones de dichas propiedades y los cambios que ellas
sufren debido a la interaccin del sistema con sus alrede-
dores, exclusivamente en condiciones de equilibrio y ba-
sada en leyes derivadas del experimento en
cuya interpretacin no infiere la consti-
tucin microscpica del sistema o la
existencia de radiacin.
La generalizacin de la expe-
riencia prctica llev a la
formulacin de las leyes de la
termodinmica. Experiencias
tan sencillas como lo que
ocurre cuando dos cuerpos
con diferente temperatura son
puestos en contacto, o pensar
en por qu algunos procesos en la
naturaleza ocurren en un solo sentido
y no a la inversa; por ejemplo, una taza de
caf caliente se enfra despus de un cierto
periodo de tiempo, pero tal cosa no ocurre en
el sentido contrario: jams una taza de caf se calienta de
forma espontnea. Por qu?
Hace ms de 150 aos, se pens que para saber bajo
qu condiciones un proceso puede o no ocurrir, debera
de existir una propiedad del sistema, que en base a su
comportamiento dicte tal hecho. Dicha propiedad es una
funcin conocida como entropa (la palabra entropa
tiene origen griego y significa transformacin) la cual
permanece constante o incrementa en el transcurso de
cualquier proceso que se d de forma natural en un sis-
tema aislado, es decir, de un sistema que no interacta
con sus alrededores. Por tanto esta funcin ideada por
Rudolf Clausius describe lo irreversible de los sistemas
termodinmicos, o bien, el sentido de los procesos natu-
rales.
Comnmente la entropa es presentada como una me-
dida del desorden de un sistema, lo cual se puede enten-
der si se analiza desde el punto de vista
de la probabilidad. Un sistema
cuya configuracin es impro-
bable tiende de forma na-
tural a reorganizarse de
modo que llegue a una
configuracin ms
probable, lo que en
general dar lugar a un
aumento de entropa.
Adems, la entropa
alcanza su valor mximo
cuando dicho sistema
llega al equilibrio, esto es, a
la configuracin ms probable
ms probable, porque existe un
mayor nmero de formas en que se puede
llegar a dicha configuracin a partir de los
tomos del sistema. Este enfoque estadstico, surge
gracias a Ludwing Boltzmann quin encontr la manera de
expresar matemticamente el concepto de entropa.
Con todo lo anterior se quiere hacer nfasis en que las
cosas tienden de forma natural a seguir un camino. Y que
la entropa, una simple funcin que ha logrado ser defini-
da de forma matemtica dicte este camino natural hacia
el desorden.
Agosto Diciembre 2011 ConCiencia 17.
Tomada de: meghantelpnerblog.com
Mecnica estadstica y termodinmica
Recursos: ZEMANSKY, Mark W. Heat and Thermodynamics. Ed. McGraw-Hill. USA, 1996.
Por qu una taza de caf caliente se enfra, pero
una fra no se calienta de forma espontnea?
BREVES
Por Marcela Rodrguez
as fibras pticas son filamentos de vidrio o plstico de espesor entre 10 y 300 micrmetros
(del grosor de un cabello); stas llevan mensajes en forma de luz que pasan a travs de ellas
de un extremo a otro, sin interrupcin y sin importar que la fibra se curve.
La mayora de las fibras pticas se hacen de arena o silicio. Sus constituyentes esenciales son el
ncleo que es la parte ms interna de la fibra y el revestimiento, ms un forro que la protege. Su
funcionamiento es muy simple: cuando la luz pasa de un medio a otro su velocidad cambia,
sufriendo efectos de reflexin y refraccin, lo que cambia la direccin de propagacin. De esta
forma, al utilizar dos materiales cuya velocidad de la luz es distinta por ello un ncleo y un
revestimiento sta podr reflejarse en la superficie de separacin entre ambos y ser guiada de
forma controlada. En otras palabras, inyectada por un extremo, la luz avanza hacia el frente en la
fibra reflejndose una y otra vez por ncleo de la misma.
El uso de la fibra ptica es muy variado: desde comunicaciones digitales, pasando por sensores y
llegando hasta usos decorativos. El empleo ms importante en nuestra poca es como medio de
transmisin para redes de telecomunicaciones debido a las mltiples ventajas que presenta con
respecto a los cables metlicos o la radiocomunicacin, como la calidad de la transmisin, privacidad
y reduccin de costos.
Luz lser propagndose por una fibra ptica de cristal fotnico. Experimento realizado en el Laboratorio de
Aplicaciones Cunticas de la DCI. Foto: Dalia Ornelas.
Recursos: JARDN, Heriberto. Fibras pticas.
ptica
Como una gran telaraa, millones de kilmetros de fibra ptica se encuentran
tendidos por todo el mundo, mantenindonos comunicado a todo momento
BREVES
principios de la dcada de 1930, los cientficos se dieron cuenta que los
microscopios no seran suficientes para estudiar a fondo la materia que
nos rodea; en su lugar crearon ingeniosos aparatos cada vez ms comple-
jos, que culminaron en los actuales diseos de aceleradores y colisionadores de
partculas. stos nos permitieron revelar qu haba dentro de las molculas que
forman todo lo que vemos, descubrieron tomos formados de protones, electrones
y neutrones en este sentido ha de entenderse su funcin como microscopio; pe-
ro lograron llegar ms all, descubriendo qu formaba a aqullos y creando nuevos
tipos de partculas. Dichos experimentos y descubrimientos han moldeado nuestro
presente, ya que el conocimiento y el desarrollo tecnolgico que los han acompa-
ado estn ntimamente ligados a la vida actual de todos nosotros.
Bsicamente su nombre describe su funcin: acelerar partculas a muy altas ener-
gas y hacerlas chocar entre s para descubrir de qu estn formadas, y cmo se re-
lacionan entre s. Hoy en da, el acelerador ms grande y famoso es el Large Hadron
Collider (LHC) o en espaol, el Gran Colisionador de Hadrones, un tnel subte-
rrneo en forma de anillo de 27 km de circunferencia, localizado entre las fronteras
de Francia y Suiza, en la Organizacin Europea para la Investigacin Nuclear (CERN,
por sus siglas en francs). Habiendo iniciado operaciones en 2008, cost miles de
millones de dlares e involucr a miles de cientficos de los cinco continentes,
quienes trabajan para entender los problemas ms fundamentales de la fsica.
A
Cientficos de todo el mundo pasaron ms de una dcada construyendo el mayor colisionador de partculas jams creado. El objetivo de esta gi-gantesca mquina es encontrar respuesta a las preguntas ms fundamentales acerca del Uni-verso:
Cules son los bloques bsicos
(o partculas) que lo conforman y qu fuerzas los mantienen unidos?
Qu es la masa y de dnde proviene?
Existen las dimensiones extra? Qu sucede con la antimate-
ria? Existe la supersimetra? Qu es la materia oscura? Qu sucedi durante la crea-
cin de Universo?
Por Luis Medina
Detector ATLAS (CERN). Tomada de: mpp.mpg.de
19 ARTCULO
Los inicios en California Fsicos del norte de California,
EE.UU., jugaron un papel crucial en
la bsqueda de respuestas a las
interrogantes sobre la constitucin
de la materia: comenzaron la cons-
truccin de aceleradores de part-
culas. Esta investigacin comenz
en Berkeley, cuando el fsico de 29
aos Ernest Lawrence dise el
primer acelerador, llamado ciclo-
trn. Esta mquina fue un xito, ya
que sin requerir grandes canti-
dades de energa, poda producir
partculas de muy alta energa en
un espacio reducido. Hasta ese
momento, las energas alcanzadas
eran tan bajas que era difcil ver de
qu estaban hechos los ncleos.
Para lograr que las partculas car-
gadas elctricamente se moviesen
cada vez ms rpido, Lawrence
doblaba su trayectoria en forma
circular usando el campo magnti-
co de dos imanes; daba entonces
empujones regulares con campos
elctricos y las partculas incre-
mentaban su velocidad. As, inyec-
tando las partculas en el centro de
la mquina, stas se dirigan en
una trayectoria espiral hacia afuera,
ganando energa en cada vuelta.
La unidad que mide la energa en
fsica de partculas es el electrn-
voltio (eV): es la energa que gana
un electrn cuando lo aceleras con
un voltio (una batera AA tiene, por
ejemplo, 1.5 voltios). Las distintas
generaciones de ciclotrones cons-
truidas alcanzaron los megaelec-
trn-voltios (MeV), es decir, millo-
nes de eV, energa suficiente para
investigar el ncleo de los tomos
por primera vez, bombardeando
partculas cargadas contra diferen-
tes elementos, llegando inclusive a
crear nuevos, como el tecnecio,
plutonio, berkelio y otros. Durante
la Segunda Guerra Mundial, Law-
rence emple el dispositivo para
separar el uranio necesario para
producir la bomba atmica, como
parte del denominado Proyecto
Manhattan. El desarrollo de armas
atmicas es un legado sombro de
la fsica nuclear. Sin embargo, tam-
bin ha sido encaminada a nobles
tareas. Por ejemplo, foment el
campo de la medicina nuclear: la
mayora de los pacientes de cncer
que usan terapia de radiacin lo
hacen en un pequeo acelerador.
La evolucin: el sincrotrn En su esfuerzo por descubrir
formas de materia cada vez ms y
ms fundamentales, los fsicos
disearon y construyeron acelera-
dores ms complejos. El primer
sincrotrn fue el Cosmotron (1952)
en el Brookhaven National Labora-
tory (BNL), localizado en el
estado de Nueva
York. El Cosmotron,
era capaz de acele-
rar al protn a 3.3
GeV (gigaelectrn-
voltio), esto es,
mil veces ms que
Un tomo es la unidad ms pequea de un elemento qumico que mantiene sus propiedades: hay por ejemplo tomos de carbono, oxgeno, oro, hidrgeno, hierro, etc. Los tomos estn hechos de elec- trones y un ncleo. De qu est hecho el ncleo? Est hecho de protones y neutrones. De qu est hecho un protn? Esta hecho de quarks. De qu est hecho un quark? No lo sabemos an
DE QU EST HECHO EL TOMO?
Ernest Lawrence cre en 1929 el primer
acelerador, el ciclotrn, en Berkeley, CA.
Caba en la palma de su mano.
Ernest O. Lawrence (19011958) recibi el premio Nobel en Fsica en 1939 (derecha) por su
invencin; el primer ciclotrn meda slo 10 cm de
dimetro. A la izquierda se observa la cmara del
ciclotrn, con sus diversos componentes, la cual se
colocaba entre dos imanes. Ms tarde, Lawrence
construy sucesivas mquinas cada vez ms gran-
des, seis en total, que llegaron a superar los 4.5 m
de dimetro.
EL PADRE DE LOS ACELERADORES
Tomada de: wdict.net
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Tomada de: public.web.cern.ch
Fsica de Partculas y Altas Energas
ARTCULO
el ciclotrn, fue la primera mqui-
na que permiti extraer el haz de
partculas para la experimentacin
fuera del acelerador. El Bevatron
(Berkeley, 1954), fue diseado de
forma especfica para acelerar los
protones a suficiente energa para
crear antiprotones, y verificar as la
simetra partcula-antipartcula en
la naturaleza, sospechada fuerte-
mente por los fsicos tericos.
Estos trabajos le valieron el premio
Nobel a Emilio Segr y Owen
Chamberlain seis aos ms tarde.
Actualmente el Bevatron est fuera
de servicio, pero sent las bases de
la pasin por trabajar con estas
increbles mquinas.
A medida que la potencia de los
aceleradores aumentaba, algunos
problemas en su diseo fueron sur-
giendo, entre ellos el costo asocia-
do a su tamao cada vez mayor.
Esta problemtica fue resuelta por
los cientficos e ingenieros de BNL,
quienes construyeron en 1963 el
Alternating Gradient Synchrotron o
AGS, que incorporaba novedades
respecto a los sistemas tradiciona-
les; por ejemplo, imanes de enfo-
cado fuerte, los cuales reducen la
apertura (ancho) del haz, y el co-
rrespondiente tamao y costo de
los imanes de deflexin y del pro-
yecto en general. El AGS fue el ms
grande del mundo por ocho aos,
con 33 GeV. Distintas investigacio-
nes efectuadas con este acelerador
consiguieron tambin reconoci-
miento del Premio Nobel: en 1980,
para James Cronin y Val Fitch por el
descubrimiento de la llamada vio-
lacin de la simetra CP, que expli-
ca por qu hay ms materia que
antimateria en el Universo, y ocho
aos despus, por sus trabajos
sobre neutrinos para Leon Leder-
man, Melvin Schwartz y Jack Stein-
berger. El Proton Synchrotron (PS),
construido en el CERN, fue el pri-
mer gran acelerador de partculas
europeo, y su estructura es similar
al del AGS.
Del crculo a la lnea recta En 1962 comenz la construccin
del Stanford Linear Accelerator
(SLAC), apostando por un diseo
en el cual las partculas son empu-
jadas en lnea recta, en contrapo-
sicin a los sincrotrones circulares
Bevatron en Lawrence Berkeley National Laboratory: pueden observarse los bloques de blindaje contra radiacin que lo recubren. Su demolicin est siendo completada este ao.
Los componentes bsicos de un acele-rador (de cualquier tipo) son: Conductos. Son los tubos que contienen y
transportan al haz de partculas en movi-miento, y lo aslan del exterior.
Vaco. Los tubos que contienen a las part-culas han de estar a muy alto vaco, esto es, sin molculas de aire o polvo dentro de ellos: ms vacos que el propio espacio in-tergalctico.
Campos magnticos y elctricos. Los pri-meros son imanes que modifican el ca-mino de las partculas, hacindolas dar vuelta cuando sea necesario, tambin comprimen el haz para que sea muy fino. Los segundos le dan energa para que va-yan cada vez ms rpido.
Criogenia o refrigeracin. Algunos com-ponentes requieren de complejos sistemas de enfriamiento para su funcionamiento. Adems, para preservar el vaco en las cmaras, es necesaria una muy baja tem-peratura.
Blindaje. Recubrimiento de las instalacio-nes para contener la radiacin que produ-ce el acelerador, y evitar que contamine o ponga en peligro al personal. Es por ello que algunos estn bajo tierra.
Objetivos. Son los materiales contra los que se hacen chocar las partculas, para estudiarlos. Pueden ser las mismas part-culas al hacerlas colisionar entre s.
Detectores. Una vez que chocan las part-culas, es necesario observar qu pasa con ellas (qu surge) luego de la explosin, por ejemplo, la creacin de nuevas partculas.
Operarios trabajando en el Conducto principal del LHC.
INGREDIENTES DE UN ACELERADOR
Tom
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ed.c
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Tomada de: aulageek.wordpress.com
Agosto Diciembre 2011 ConCiencia 21.
ARTCULO
dominantes en la poca. Con ms
de 3 kilmetros de largo y 30 GeV
de energa, es an en nuestros das
el ms grande acelerador lineal
(tambin llamado linac) del mundo.
Para aquel momento sabamos de
la existencia de los protones y
neutrones, pero de qu estaban
hechos stos? Cuando comenz a
operar en 1966, el objetivo del
SLAC fue descubrirlo. Los fsicos
encontraron que dentro existan
otras partculas conglomeradas a
las cuales llamaron quarks. No slo
se trataba de partculas ms pe-
queas, sino que eran ms raras:
en lugar de tener una unidad ente-
ra de carga, stas posean unidades
fraccionarias qu eran aqullos?
Inmediatamente surgi la pre-
gunta cuntos tipos de quarks
existen? Esta pregunta exigi, otra
vez, una nueva clase de acele-
radores. Fsicos guiados por Burton
Richter fueron los pioneros en la
idea del colisionador. Construido
anexo al linac del SLAC en 1972,
el Stanford Positron Electron
Asymmetric Rings (SPEAR) fue el
primer dispositivo colisionador
electrn-positrn: en lugar de
chocar partculas contra un obje-
tivo fijo como hacan los acele-
radores convencionales, se coli-
sionaban entre s dos haces de
partculas aceleradas. Con ello
fue posible conseguir colisiones
ms energticas, lo que permiti-
ra crear nuevas partculas
subatmicas. Cuatro aos ms
tarde, por su descubrimiento
independiente del quark charm,
Samuel C. C. Ting de AGS y Bur-
ton Richter de SLAC fueron ga-
lardonados con el Premio Nobel.
El colisionador fue tan efectivo
que ayud a responder la pre-
gunta acerca del nmero de
quarks, seis. Otros trabajos desa-
Acelerador lineal (o linac)
Utiliza un conjunto de placas (o tubos) si-tuados en lnea, a los cuales se les aplica un voltaje alternado (+, , +, , etc.).
Cuando las partculas (por ejemplo, de car-ga negativa), se aproximan a una placa po-sitiva, se aceleran hacia ella al ser atradas.
Justo cuando la atraviesan por una perfora-cin, y se encuentran del otro lado, la mis-ma placa es puesta a un voltaje negativo, por lo que ahora rechaza a las partculas y las hace avanzar an ms rpido.
Todas las placas invierten su polaridad (ahora han de ser -, +, -, +, etc.). Al llegar a la siguiente placa es nuevamente y se repi-te el proceso.
A medida que las partculas se acercan a la velocidad de la luz, es necesario cambiar las placas por un diseo llamado cavidades re-sonantes de radiofrecuencia (RF).
Acelerador circular
Incluye, adems de los componentes ante-riores en los linacs, campos magnticos (imanes) que doblan la trayectoria de las partculas en forma circular.
La partcula viaja muchas veces por el crcu-lo para conseguir su energa final. Esto re-duce el tamao de la mquina, pero limita la energa debido a la radiacin que se pro-duce, llamada luz sincrotrn.
Sin embargo, esta radiacin puede ser aprovechada para experimentos de distin-tas clases, en qumica, biologa, ciencias de los materiales, etc.
EN LNEA O EN CRCULO? El SLAC, con 3 km de largo, es el ms
grande acelerador lineal del mundo
Tomada de: home.slac.stanford.edu Tevatrn en Fermilab (izquierda), y SLAC en California (derecha) Tomada de: teknociencia.net
el International Linear Collider (ILC), de concretarse, tendr entre 30 y 50 km
ARTCULO
Agosto Diciembre 2011 ConCiencia 23.
rrollados en el SLAC fueron acree-
dores del Nobel, entre ellos el
modelo de quarks (esto es, su ex-
plicacin) para Jerome I. Friedman,
Henry Way Kendall y Richard E.
Taylor en 1990. Cada uno de estos
descubrimientos efectuados con
aceleradores fueron momentos
histricos para la fsica.
El Modelo Estndar En 1981 y 1989 Europa se sum a
la carrera con la construccin de
dos grandes aceleradores circula-
res en el CERN: el Super Proton
Synchrotron (SPS) de 6.9 km y el
Large Electron-Positron Collider
(LEP), de casi 27 km. El LEP rebas
los 200 GeV, y el SPS logr casi el
doble, algo nunca antes visto. Ex-
perimentos realizados durante
aos en este ltimo proveyeron de
la informacin que result en el
descubrimiento de los bosones W y
Z. Estos descubrimientos, y los
mtodos de enfriamiento desarro-
llados para conseguirlos llevaron a
Carlo Rubbia y Simon van der Meer
a conseguir el premio Nobel en
1984. De forma complementaria,
resultados de experimentos en el
LEP permitieron la medicin preci-
sa de muchos objetos, como las
masas de los bosones anterior-
mente descubiertos y reescribien-
do el nmero de neutrinos ligeros
a tres. Cerca del final de sus opera-
ciones, los datos experimentales
sugeran pistas tentadoras, pero no
concluyentes, de que el bosn de
Higgs (partcula con una masa de al
menos 115 GeV) pudiera haber
sido observado. Dicha partcula es
una clase de santo grial de la fsica
de altas energas actual, por su
relevancia dentro de las teoras.
stos, y centenares ms de expe-
rimentos efectuados de principios
de los aos 70s y hasta los aos
80s en diferentes instalaciones,
establecieron lo que hoy llamamos
el Modelo Estndar de la fsica de
partculas, permitiendo sustentar
la base terica del modelo en una
slida evidencia emprica. En oca-
siones los resultados corroboraban
las predicciones de los fsicos teri-
cos, pero en otras surgan partcu-
las inesperadas, haciendo que los
cientficos replantearan sus ideas.
Ambas situaciones han brindado
un importante progreso a la fsica a
lo largo de la historia. La teora del
Modelo Estndar resume nuestro
conocimiento de cmo est estruc-
Divide un milmetro las separaciones ms pequeas en una re-gla, en un milln, y cada una en un milln, de ese tamao son los n-cleos atmicos. Las partculas que los forman son entonces an ms pequeas.
Cuando se crean nuevas partculas en una colisin, es posible observar-las indirectamente empleando detectores. Existen detectores de mu-chos tipos, especializados en observar partculas de determinadas ca-ractersticas. Al estudiar la trayectoria en la que salieron disparadas, se puede conocer mucho acerca de su naturaleza. El LHC posee varios de-tectores, todos de enormes dimensiones, en distintos puntos del acele-rador: a la derecha, el LHCb; abajo, el CMS y ALICE abajo a la derecha. El ms grande, ATLAS, aparece en la portada de este artculo.
CMO VER ESAS DIMINUTAS PARTCULAS?
Tomada de: prasadmoram.blogspot.com
Tomada de: fnal.gov
Tomada de: pressebox.de. . . .Tomada de: lhc8.wikispaces.com. .
El can de electrones de un televisor comn es un ejemplo de linac. Los electrones, al chocar en la pantalla, forman la imagen.
ARTCULO
turado el mundo en su nivel ms
fundamental, pero an no est
completa, ya que hay fenmenos
que no podemos explicar.
Un milln de millones El Tevatron en el Fermi National
Accelerator Laboratory (Fermilab)
en Batavia, Illinois, cerca de Chica-
go, es un anillo de 6.3 km que por
primera vez logr alcanzar energas
de 1000 GeV, esto es, 1 TeV (terae-
lectrn-voltio). Fue completado a
mediados de los ochentas, y desde
entonces ha sido sometido a im-
portantes modificaciones. Entre los
principales hallazgos cientficos de
esta instalacin, destacan el des-
cubrimiento del quark top en 1995
y la medida de su masa con una
precisin de 1%, as como el des-
cubrimiento del neutrino taunico
en el ao 2000. El Tevatron fue el
primer gran acelerador en hacer
uso de tecnologa superconductora,
la cual exige un sofisticado sistema
de refrigeracin o criogenia. En
enero de 2011 fue anunciado que
el colisionador protn-antiprotn
de Fermilab cesara operaciones a
finales de este septiembre, dejan-
do un importante legado.
Entre los actuales aceleradores,
cuya investigacin se encuentra en
la frontera del conocimiento, est
el Relativistic Heavy Ion Collider
(RHIC) en Brookhaven, operado
por investigadores de todo el
mundo, el cual comenz operacio-
nes en el ao 2000. En el ao 2010
cientficos del RHIC publicaron que
las temperaturas de las colisiones
de iones de oro alcanzaron los 4
billones de grados kelvin, y que a
estas temperaturas el estado nor-
mal de la materia se rompe, y se
crea un plasma similar a un lquido
de quarks y gluones. De esta forma
los fsicos pueden estudiar las for-
mas primordiales de materia que
existieron instantes despus del
Big Bang, el momento de la crea-
cin del universo a raz de una gran
explosin.
Un titn llamado LHC Y llegamos finalmente al presen-
te. Hemos conseguido aprender
muchsimo, pero nuestra curiosi-
dad an nos hace ir ms all. El
Large Hadron Collider fue diseado
para alcanzar energas de hasta 7
TeV por haz de partculas, casi siete
veces las del Tevatron, Su principal
propsito es examinar la validez y
los lmites del Modelo Estndar. El
LHC es el acelerador ms grande y
energtico del mundo, y hace uso
del tnel subterrneo de 27 km de
circunferencia dejado por el LEP
(desmantelado en el ao 2000).
Dentro de l, dos haces de proto-
El Tevatron fue el primero en alcanzar
1 TeV de energa: un milln de veces la
energa del ciclotrn
El Modelo Estndar de partcu-las es una coleccin de teoras que incorpora todo nuestro entendimiento ac-tual sobre las partculas y fuerzas funda-mentales. De acuerdo a l, los quarks son los bloques bsicos y las fuerzas que los unen actan a travs de mediadores (o bo-sones), intercambiados entre las partculas de materia (o fermiones). Existen, adems, cuatro fuerzas en la natu-raleza: el electromagnetismo, con el fotn como portador, la interaccin fuerte (con el glun), la interaccin dbil, con los lla-mados bosones Z
0 y W
, y la gravedad. s-
ta ltima, aunque familiar para todos, no encaja en el Modelo Estndar (representa-do matemticamente debajo); unificarla con las dems es el sueo de muchos fsi-cos, como lo fue tambin para Einstein.
QU ES EL MODELO ESTNDAR?
MATERIA OSCURA
Muchas partculas del Modelo Es-tndar no existen hoy en da de forma natural, por lo que se les crea en colisiones (como sta en RHIC), para estudiarlas.
El modelo tiene, adems, limitantes, entre ellos la llamada materia oscura, que no puede ser explicada an, pero que tiene importantes consecuencias en la forma que evoluciona el Universo. Algunos fsicos creen que se trata de exticas partculas por descubrir, por lo que el uso de acelera-dores est a la orden del da.
Tomada de: public.web.cern.ch
Tomada de: chemistry.about.com
Fsica de Partculas y Altas Energas
ARTCULO
nes son acelerados en sentidos
opuestos hasta alcanzar el 99.99%
de la velocidad de la luz, y se les
hace chocar entre s produciendo
muy altas energas.
Enfriado a apenas un par de gra-
dos por encima del cero absoluto
(271.15 C), las primeras partcu-
las fueron inyectadas en agosto de
2008. Las pruebas preliminares a
alta energa estaban previstas para
octubre del mismo ao, pero una
avera en el sistema de enfriado de
los imanes superconductores obli-
g a postergar su operacin. Vuel-
to a poner en marcha meses ms
tarde, el 30 de marzo de 2010 las
primeras colisiones de protones
del LHC alcanzaron una energa de
7 TeV (al chocar dos haces de 3.5
TeV cada uno) lo que signific un
nuevo rcord para este tipo de
ensayos. El colisionador funcionar
a medio rendimiento durante dos
aos, al cabo de los cuales se pro-
yecta llevarlo a su potencia m-
xima de 14 TeV (chocando sus dos
haces a su energa mxima indivi-
dual, de 7 TeV) marcando un hito.
Son muchas las respuestas que
los fsicos esperan sean encontra-
das con el LHC. Por ejemplo, el
significado de la masa sabemos
cmo medirla pero no qu es exac-
tamente; se cree que tiene su
origen en otra partcula, el bosn
de Higgs o partcula de Dios, llama-
da coloquialmente. La observacin
de esta partcula confirmara algu-
nas de las predicciones y cabos
sueltos del Modelo Estndar, ade-
ms significara un paso trascen-
dental en la bsqueda de una teo-
ra de la gran unificacin. Experi-
mentos en el LHC planifican la
bsqueda de nuevos objetos predi-
chos tericamente, como los
strangelets (materia extraa), los
microagujeros negros y las partcu-
las supersimtricas, o la existencia
de dimensiones extra. Todo ello
suena a ficcin, pero se trata de
ciencia pura, que podra cambiar
todo nuestro entendimiento del
Universo, y tener trascendentales
repercusiones para el avance de la
humanidad.
Trabajo para el futuro Hoy en da los primeros acelera-
dores en California no son emplea-
dos ms para estudiar los bloques
de construccin bsicos de la ma-
teria, de hecho, muchos de ellos ya
no estn operativos; actualmente
sirven como potentes microscopios
para examinar cosas como prote-
nas. Pero el objetivo original de sus
creadores est ms que vivo el da
de hoy el legado de todas las
personas que tuvieron esa visin
nos ha llevado a un presente in-
quietante y sorprendente, y a un
prometedor futuro. Slo nos resta
continuar con ese espritu curioso y
emprendedor, trabajando en estas
sorprendentes mquinas para as
poder desentraar los misterios del
Universo y responder nuestras
preguntas ms profundas acerca
de l.
El ILC o International Linear Collider es un ace-lerador lineal propuesto, no construido an; su longitud sera de entre 30 y 50 km, ms preciso y sencillo que el LHC. Actualmente se estudia la aceleracin por plasma, capaz de llevar partcu-las a altsimas energas en cuestin de centme-tros, sustituyendo las cavidades de RF (derecha).
MS LARGO AN
En Mxico existen algunos acelera-dores, los cuales sin embargo, son pequeos y son empleados nicamente con fines aca-dmicos. Afortunadamente hoy en da se estn efec-tuando esfuerzos para la creacin de una fuente de luz sincrotrn, esto es, un acele-rador de mediano tamao cuya radiacin producida puede ser empleada en numero-sos trabajos cientficos y desarrollos tecno-lgicos (en el sector pblico y privado), de cientficos connacionales. El grupo de inves-tigadores que se encuentra gestando este ambicioso proyecto pertenecen a la Univer-sidad de Guanajuato, al CINVESTAV y a la UNAM. Se trata de un proyecto de largo pla-zo, que sin duda redituar en el avance de la competitividad del pas.
Y DNDE EST MXICO?
public.web.cern.ch/public lbl.gov interactions.org linearcollider.org slac.stanford.edu fnal.gov bnl.gov
R E C U R S O S
Ejemplo de ciclotrn. Tomada de: en.wikipedia.org
Tomada de: linearcollider.org
Agosto Diciembre 2011 ConCiencia 25.
ARTCULO
Por Ernesto Barrientos
a curiosidad insaciable del hombre lo ha llevado a
cuestionar el funcionamiento de las cosas que lo
rodean, y el Sol no se ha escapado de ser blanco
de esta curiosidad; una de las muchas preguntas que se
puede plantear sobre el astro rey es: De dnde obtiene
el Sol su energa?
En el siglo XIX se plante la posibilidad de que el Sol
fuera una masa de carbn en combustin. Con los cono-
cimientos de qumica en ese momento sumado a lo que
se saba del astro, su vida total tendra que ser de ape-
nas unos cuantos miles de aos, pero dado que existan
fsiles con una edad calculada de millones de aos, la
idea se vino abajo. A finales del siglo pasado, los fsicos
Lord Kelvin y Hermann von Helmholtz, propusieron que
la fuente de energa solar era gravitatoria: debido a la
contraccin gravitacional, ste se encoga y se calentaba.
Con esta nueva idea, el Sol llevara brillando unos 40
millones de aos; este resultado tranquiliz por un tiem-
po a la comunidad cientfica, pero cuando se descubri
evidencia de vida que databa de cientos de millones de
aos, la teora tambin se derrumb.
Con el descubrimiento de la radiactividad, y el resulta-
do de Einstein que estableca que la materia y energa
eran equivalentes, se abri una nueva ventana de cono-
cimiento, al igual que una nueva y alentadora esperanza
para encontrar la fuente de la energa solar. Por ah de
1926, el fsico sir Arthur Eddington propuso que algn
tipo de reaccin en el ncleo del Sol deba estar trans-
formando materia en energa. La idea de Eddington es
efectivamente correcta, pero no fue sino hasta los 40s
que el fsico Hans Bethe describi de una manera satis-
factoria los procesos que ocurren en el interior del Sol.
El nico proceso que se conoce que puede crear ener-
ga solar, es la fusin nuclear. A grandes rasgos se puede
ver como el proceso por el cual tomos ligeros se combi-
nan para formar tomos ms pesados; de esta forma la
masa decrece y se obtiene energa. Para fusionar dos
protones + es necesario acercarlos a 10-15 m, adems
de velocidades mayores a los 300 km/s, o temperaturas
mayores a 107 Kelvin, temperaturas que slo se alcanzan
en el ncleo solar. En el Sol, el hidrgeno se transforma
en helio, pero la cantidad de hidrgeno inicial no corres-
ponde a la cantidad de helio final. El hidrgeno el com-
bustible es mayor en monto, y precisamente la diferen-
cia entre las dos cantidades es la que se convierte en
energa. Este proceso es conocido como la cadena pro-
tn-protn , y crea el 90% de la energa del Sol.
A la luz originada en el ncleo le toma alrededor de 100
mil aos llegar a la superficie ya que durante su viaje es
absorbida y re-emitida infinidad de veces, perdiendo
energa; sta es creada en forma de rayos gamma, pero
al lograr escapar del Sol es visible e infrarroja.
Se puede conocer la cantidad de energa producida por
las reacciones nucleares, y con ello conocer la cantidad
de combustible requerido para mantener su luminosi-
dad: alrededor de 600 millones toneladas de hidrgeno
son transformadas por segundo. De acuerdo con este
resultado, el Sol puede producir la luminosidad que pre-
senta hoy por aproximadamente diez mil millones de
aos. Dado que su edad calculada es de cinco mil millo-
nes aos, an le queda vida para otros 5 mil millones.
L
4+ = He24 + 2+ + 2 + 2
La reaccin neta que ocurre en el interior del Sol es
donde He24 es una partcula , + es un positrn, el
neutrino del electrn y un fotn (rayo gamma).
LA PODEROSA CADENA
Astrofsica y Cosmologa
Tom
ada
de:
d
mae
_up
titl
es.c
om
Tom
ada
de:
new
evo
luti
on
des
ign
s.co
m
Recursos:
bibliotecadigital.ilce.edu.mx Curso de Introduccin a la Astronoma.
Departamento de Astronoma, Universidad de Guanajuato.
BREVES
s importante entender la naturaleza de los fenmenos que obser-
vamos, en tal caso, debemos estudiar aquello que fundamenta a
dicho fenmeno y a los entes que lo componen. Si observamos la
materia de forma minuciosa, veremos que no es ms que la organizacin de
millones de ladrillos y todos estos ordenados de forma especifica: partculas
fundamentales.
Desde la existencia del hombre, se comenzaron a generar teoras sobre el
origen de todas aquellas cosas que se podan observar. Desde las primeras
civilizaciones, pasando por los griegos y antiguos romanos, llegamos a ideas
actuales que con ayuda y respaldo de grandes mquinas (como acelerado-
res de partculas y telescopios) se ha podido observar cada vez ms lejos y a
la vez cosas ms pequeas.
Uno de los principales problemas de la fsica de partculas es generar un
modelo de reconstruccin del universo, un modelo que explique el pasado,
que explique los posibles fenmenos que se suscitaron en la creacin y
desarrollo del universo. Modelos que procuren explicar por qu el universo
que percibimos y habitamos lo observamos de tal forma.
E
Cuatro partculas: Los ladrillos del universo
Fsicos de todo el mundo desde el siglo pasado y hasta la fe-cha han tratado de modelar con teoras el origen y formacin del universo. Este trabajo abordar uno de los enigmas que esconde el universo: la falta de antimateria. Los principales tpicos que se tra-tarn sern: El mundo de las partculas funda-
mentales: las pequeas piezas del todo.
Qu es la antimateria y cul es su origen?
Las condiciones iniciales, evolucin y creacin del universo.
Una teora elegante que pone al descubierto al joven universo.
Recientes datos experimentales in-dican ir por buen camino.
Hay un universo de pequeas cosas
Por Roberto Cota
27 ARTCULO
El mundo de las partculas En la naturaleza hay cuatro fuer-
zas fundamentales que determinan
el comportamiento de las partcu-
las: la gravedad, el electromagne-
tismo, la fuerza dbil y la fuerza
fuerte. Existe una teora que unifica
las tres ltimas y con gran aproxi-
macin predice los fenmenos de
la naturaleza; esta teora es llama-
da el modelo estndar de las inter-
acciones fundamentales. ste pre-
dice la existencia de muchas part-
culas y sus caractersticas asocia-
das.
Por su naturaleza las partculas
fundamentales se pueden clasificar
en dos grandes grupos:
Bosones. Son partculas que no
obedecen al principio de exclusin
de Pauli, por lo que dos o ms
bosones pueden encontrarse en el
mismo estado de energa. Los bo-
sones (Fundamentales) son los
encargados de transmitir la infor-
macin de las interacciones. Como
ejemplo tenemos al fotn , en-
cargado de la interaccin electro-
magntica.
Fermiones. Son partculas que
cumplen con el principio de exclu-
sin de Pauli, debido al cual uno y
slo un fermin puede depositarse
en cada nivel de energa. A su vez,
este grupo de partculas se subdi-
vide en quarks y leptones. Ejem-
plos de fermiones son el protn, el
neutrn y el electrn, que son las
partculas que constituyen el to-
mo. Una diferencia entre estos
tipos de fermiones es que los lep-
tones pueden existir de forma libre
y son partculas de carga elctrica
entera (cargas de 0, 1, 2, ); por
ejemplo, el electrn, mientras que
los quarks son partculas de cargas
elctricas fraccionarias (, , ) y
se encuentran siempre acompaa-
dos por otros quarks; como ejem-
plo tenemos al protn y al neutrn
que son partculas formadas cada
una por una tercia de quarks.
El modelo estndar tambin pre-
dice la existencia de otra partcula
asociada para cada una de las par-
tculas mencionadas. Esta nueva
partcula posee las mismas carac-
tersticas que su compaera, slo
con la diferencia de carga elctrica
contraria. A estas partculas se les
conoce por convencin como anti-
partculas y forman la antimateria.
El origen de la antimateria Como resultado de integrar la
teora cuntica de Schrdinger y la
relatividad especial de Einstein,
Paul Dirac logr describir con una
ecuacin a una partcula relativista.
De esta propuesta, conocida preci-
samente como ecuacin de Dirac,
resulta una sorpresa espectacular:
primeramente se predice de forma
natural al nmero cuntico de
espn que en la teora de Schrdin-
ger era introducido a mano, y por
otra parte, predice de manera
exitosa que a cada partcula se
asocia otra partcula llamada anti-
partcula.
Ecuacin de Dirac
El Modelo Estndar es la Coleccin de teoras que incorpora el entendimiento actual sobre las partcu-las y la forma en que se comportan. En la tabla se muestra la coleccin de partculas fundamentales. De color azul los quarks que forman los ncleos atmicos. De color marrn se mues-tran los fermiones cargados y neutri-nos; y en gris los bosones, las partcu-las mediadoras de las interacciones fundamentales. Un problema del ME es unificar la fuerza gravitacional den-tro de la teora, este trabajo es el sueo de muchos fsicos y un tema actual de investigacin.
COLECCIN DE PARTCULAS
Imaginemos partculas como hue-vos distribuidos en un cartn y cada uno de los huecos en el cartn son los estados posi-bles de energa en que las partculas se pue-den encontrar. Si los huevos fuesen fer-miones slo podramos colocar un huevo por hueco garantizando que ninguno de ellos se rompa. Sin embargo, si fuesen bosones, en cada hueco podramos depositar uno, dos o infinidad de huevos sin que ninguno de estos se rompa.
QU ES EL PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI?
Ecuacin de Dirac
Fsica de Partculas y Altas Energas
ARTCULO
Teora de huecos Aunque nos ayuda a la nocin e
intuicin del origen d
![JURISPRUD]h~CIAri.ues.edu.sv/id/eprint/24535/1/10104382 OPTIMIZADO.pdf · 2021. 7. 22. · nuestros días con las modificaciones y transformaciones que el progreso de la cien cia](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/613820750ad5d20676491197/jurisprudhciariuesedusvideprint24535110104382-2021-7-22-nuestros.jpg)
