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jueves, 12 de abril de 2012

El neutrino que viaja más rápido que la luz y el error sistemático

Lamentablemente la noticia mas importante en el área de la física de los últimos meses se a convertido en una simple anécdota debido a que los resultado se comprobaron producto de un error instrumental.

En septiembre del 2011 se publicaron los primeros resultados de un experimento internacional llamado OPERA que se desarrolla bajo la montaña del Gran Sasso, en Italia. Los científicos que forman parte de este experimento mantenían en su publicacíon que partículas llamadas neutrino que fueron lanzadas desde el acelerador de partículas de CERN en la frontera de Suiza con Francia y luego fueron captadas por OPERA viajan a una velocidad mayor que la velocidad de la luz. No mucho mayor, solo 7.5 km por segundo más que la velocidad de la luz en el vacio que es aprox. 300000 kilómetros por segundo, estos resultados sorprendieron mucho a la comunidad científica dado que fue la primera vez que se reportaba la existencia de partículas que viajan más rápido que la luz.

la ruta de las partículas de neutrino desde CERN hasta Gran Sasso, fuente: OPERA

Es el momento de aclarar que la teoría de la relatividad restringida de Einstein no prohibe el viaje de las partículas a una velocidad mayor que la velocidad de la luz solo prohibe que partículas que viajan a velocidad por debajo de la velocidad de la luz lleguen a la velocidad de la luz o pasen esa barrera. Pero una partícula hipotética (taquión) que haya empezado su vida a una velocidad mayor que la de la luz no tiene ningún impedimento para viajar a esa velocidad. Si partículas de este tipo existiesen permitirían transmitir informacíon al pasado, hace unos años ya se propuso la posibilidad de generar un anti-telefono . El único problema que presenta este aparato es que nos permitiría recibir la respuesta a nuestra pregunta antes de que la hayamos preguntado y esto provocaría contradicciones causales, es decir ocurriría la reacción antes de la acción que le dió origen.

El neutrino es una partícula muy interesante- no tiene casi masa, con el tiempo cambia su identidad y casi no interactúa con otras partículas, lo que le permite traspasar las rocas como si fueran aire. Esta característica les permitió a los neutrinos, en el proyecto OPERA, cruzar una distancia de 730 km dentro de la tierra. Un pequeño porcentaje de los mismos llegaron a los detectores en Italia y fueron registrados. En realidad el principal objetivo del experimento fue medir el cambio de identidad de los neutrinos. Esta partícula puede aparecer en tres formas-neutrino electrónico, neutrino muónico o neutrino tau-  el experimento tenía que encontrar el porcentaje de neutrinos muónicos que se convierten en tau. En el transcurso del experimento los científicos notaron que tenían los medios para medir de forma exacta la velocidad de las partículas.

Despues del exepticismo inicial y de leer el artículo la descripción metódica no dejaba dudas, los cientificos hicieron un trabajo muy serio. De hecho desarrollaron un método estadístico sofisticado que les permitió medir el tiempo de viaje promedio de las partículas desde CERN hasta el Gran Sasso. El único problema que presentaban los resultados era que contradecían las mediciones astronómicas que fueron hechas en 1987 cuando al observar las particulas que llegaron de una supernova (SN1987A) las partículas de la luz llegaron casi al mismo tiempo que los neutrinos lo que significa que si los neutrino fueron más veloces que la luz como lo indicaban los resultados de OPERA tendrían que haber llegado tres años antes.

Apesar de no poder esconder mi emoción por el descubrimiento, a mis alumnos les aconseje esperar que se publiquen mediciones de otros experimentos que confirmen los resultados antes de empezar a contruir el anti-telefono.

Detectores en OPERA. fuente: OPERA

La emoción no duro mucho- en febrero del 2012 reconocieron los miembros de OPERA que una fibra óptica que era parte del sistema de medición no funcionaba correctamente. Poco tiempo despues se publicaron los resultados del proyecto llamado ICARUS el cual se encuentra tambien en el Gran Sasso y sus resultados mostraron el error instrumental.

De hecho el error estadistico era pequeño pero el error instrumental no fue considerado de forma correcta. El error estadistico depende de el número de medicciones que se hacen- cuanto más grande el número de mediciones más pequeño es el error estadístico. Por el contrario el error instrumental depende de cuan exacto es el equipo de medición y de la capacidad de los técnicos para realizar las medicciones y achicar al maximo errores tecnicos como el mal funcionamiento de una fibra óptica...

Lamentablemente hoy por hoy no existe un método que nos permita valorar de forma exacta el error instrumental, este es uno de los mayores problemas de la física experimental, yo creo que de hecho muchos de los resultados que son publicados hoy en dia son menos exactos de lo que los cientificos declaran debido a la valoración incorrecta del error sistemático, es decir hay que tomar los errores de forma relativa.

En el sitio Particle Data Group, se resumen las mediciones de las partículas conocidas hasta hoy, alli aparecen gráficos históricos de las diferentes mediciones (link pdf) en algunos casos la medida más actual esta muy lejos de las medidas anteriores del mismo valor y lo cierto es que es lógico, pero lo interesante es que en esas mismas mediciones anteriores el error calculado era relativamente pequeño es decir que el valor actual de la misma medida esta muy por encima del valor anterior y su error juntos. La conclusion es que en esa época no se calculó correctamente el error sistemático y posiblemente hoy tampoco sea valorado correctamente en parte de las investigaciones. esto no significa que los resultados no sean correctos sino que nos obliga a analizar los resultados de forma más realista.

En el caso del neutrino basicamente el problema no fue la publicación prematura de los resultados, de hecho la publicación de los resultados primarios solo aceleraron el proceso de chequeo del instrumental y el analisis de los resultados por parte de los miembros de OPERA  y tambien la busqueda de mediciones nuevas que confirmen o denegen los resultados de OPERA por parte de experimentos paralelos pero por otro lado hoy  por hoy es claro que el error sistemático que publicaron era demasiado optimista para ser real por lo que hubiera sido preferible que fueran más modestos y por lo menos en los resultados primarios publicasen un error más realista .

Supongo que algún día podremos medir el valor del error sistemático de una forma más exacta y metódica.

sábado, 19 de marzo de 2011

Los cortos más graciosos que conozco

El primer corto tiene que ver con el gas Helio. Un grupo de jovenes franceses aspiran helio y lo usan para inflar chicles cuyos globos, supuestamente, les permiten volar por el aire.


Por supuesto el truco lo hacen con mucho estilo, pero un cálculo sencillo no permite demostrar que el corto es falso.

La capacidad de los globos de helio de flotar por el aire proviene del hecho de que el aire esta compuesto principalmente por dos gases, el nitrógeno y el oxígeno. estos gases son más densos que el helio. De acuerdo al principio de Arquimedes un globo lleno de helio flotará por el aire y la única condición para que esto ocurra es que el peso conectado al globo no sea demasiado grande.

 En este aspecto no hay ninguna diferencias entre flotar en un medio gaseoso como el aire o en un medio líquido, lo que importa es la densidad del cuerpo con respecto a la densidad del medio, es decir un cuerpo denso en un medio menos denso se hundirá y en un medio más denso que el flotará.

El principio de arquimedes dice que la fuerza hidrostática que empuja al globo hacia arriba es igual al producto de la aceleración de la gravedad por el volumen del globo de helio por la densidad del medio, que en este caso es el aire. Hacia abajo actúa el peso del helio que es igual al producto de la aceleracion de la gravedad por el volumen del globo por la densidad del helio. La densidad del helio es 0.2 gramos por litro y la densidad del aire es 1.2 gramos por litro por lo cual un litro de helio puede levantar un gramo más por encima de su propio peso. Por lo tanto para levantar una persona de 60 kilos se necesitan 60000 litros de helio.

Entonces como se hizo el corto?

Aqui va la solución:


Es importante saber que aspirar helio no es peligroso para la salud ni daña la cuerdas vocales pero puede provocar asfixia si no llega suficiente oxígeno a los pulmones durante un tiempo prolongado. Por lo tanto quien quiere hacer voces graciosas aspirando helio debe hacerlo con cuidado, aspirando cantidades pequeñas de un globo de cumpleaños lleno de helio. Es muy aconsejable esperar unos minutos entre una aspirada y la siguiente y por supuesto nunca pero nunca aspirar helio directo del tanque en donde el helio se encuentra compreso a alta presión. En el corto se ve a los jovenes aspirando directamente del tanque por lo cual lo más probable es que esto también sea falso. Estos jovenes no han aspirado realmente helio en ningún momento de la filmación.

El próximo corto muestra como se puede preparar pochoclo (popcorn) usando teléfonos celulares.


Esta es una de las bromas más difundidas que tienen que ver con teléfonos celulares.

Los teléfonos celulares funcionan en frecuencias de microondas pero a diferencia del microondas que usamos en la cocina la potencia es muy baja, otra diferencia con el horno de microondas es que el horno mismo aumenta la intensidad de la radiacción permitiendo la cocción lo que en el teléfono no ocurre.

En este corto ellos tiraron el pochoclo hecho a la mesa y luega pasaron esa escena del corto al revés.


El proximo corto es una publicidad de lentes de sol.


Como es sabido el camaleón cambia de color según la ocasión, pero no de una forma tan rápida y por supuesto el cambio de color no se produce ante el contacto con un pequeño objeto

Los colores cambiantes fueron agregados al corto con el uso de un programa de computadora.

Para terminar una broma impresionante!


Los cortos de este tipo se filman en un ángulo determinado que permite generar una ilusión óptica. Aqui va un corto inspirado en el dibujo original de Escher llamado cascada de agua



Sin duda el ángulo de filmación es importante y sin embargo el agua en el modelo de cascada de agua completan un vuelta, lo que indica que hay otros parametros a tener en cuenta.
Esperemos con paciencia que el creador del corto publica la solución.

domingo, 5 de diciembre de 2010

Como se investigaron las bacterias que crecen en presencia de arsénico

En el artículo anterior hicimos un resumen de la conferencia de prensa de la NASA en la que se presentaron evidencias de la existencia de una bacteria con la capacidad de crecer en presencia de arsénico y con la posibilidad de utilizarlo en la construcción de moleculas vitales.
Aquí va un episodio de la serie "Através del agujero gusano" conducido por Morgan Freeman en la cual en julio del 2010 Felisa Wolfe-Simon y Paul Davies presentaban su investigación. Allí consideraron la posibilidad de que esta bactería corresponda a un árbol de evolución separado al árbol evolutivo al cual todos los seres vivos de nuestro planeta corresponden. Esto puede significar que la vida se derarrolló en el planeta varias veces en paralelo. Esto podría llevarnos a concluir que el desarrollo de la vida no es un proceso tan fuera de lo común como estabamos acostumbrados a pensar. En previos artículos, los investigadores conjeturaron con la posibilidad de que el arsénico tubo un lugar importante en el planeta tierra antes de que la vida se desarrollara en él (Prebiotic Arsenic).



Yo creo que esta investigación ayudará a entender el desarrollo de la vida en el planeta tierra, pero tambien creo que la euforia de los investigadores es exagerada. Hasta que no se conozcan las estructuras moleculares de las moleculas que contienen arsénico y se analice el genoma de la bacteria GFAJ-1 que fue descubierta en el lago Mono en california va a ser dificil de determinar la conección evolutiva, si es que la hay, entre la bacteria y el resto de los seres vivos de este planeta.

viernes, 3 de diciembre de 2010

Descubrieron una bacteria que utiliza arsénico en lugar de fósforo

Resumen de la conferencia de prensa en NASA ayer 2 de diciembre en la cual se presentaron evidencias astrobiologicas que podrían cambiar el rumbo de las investigaciones dedicadas a encontrar formas de vida fuera del planeta tierra.

Como lo predije en mi post anterior, en la conferencia de prensa de NASA se presentaron los resultados de una investigacion microbiológica que se hizo en el lago mono en california, en este lago se encontraron bacterias que pueden vivir en un ambiente rico en arsénico, elemento venenoso para la mayoria de los seres vivos de nuestro planeta, el efecto venenoso del arénico es producto de su parecido con el fósforo, elemento que es conciderado fundamental para la existencia de la vida. El arsénico puede remplazar al fósforo en moléculas fundamentales para la vida como en moleculas de ATP, utilizadas en procesos fisiológicos que necesitan energía, y así afecta su funcionamiento que es el que provoca el envenenamiento.
 
El parecido entre el fósforo y el arsénico es producto de su estructura atómica parecida, los dos elementos se encuentran en la misma columna en la tabla periódica. estas bacterias encontradas en el lago MONO y denominadas GFAJ-1 fueron reproducidas en condiciones de laboratorio en un medio rico en arsénico y pobre en fósforo justamente por el gran parecido entre estos dos elementos. 

En estas bacterias el arsénico podría remplazar al fósforo incluso en la molecula de ADN sin afectar la viabilidad de la bacteria. este es resultado sorprendente pues hasta ahora no habia pruebas de la posibilidad de vida sin uno de los elementos fundamentales para la misma (carbono, nitrigeno, hidrogeno, oxigeno, azufre y fósforo) la investigacion esta en sus comienzos y todavia no se conocen las estructuras de las moleculas en las cuales el arsénico podría remplazar al fósforo y tampoco se conoce la información genética de la bacteria.
 
El descubrimiento de la estructura de moleculas de este tipo puede llevar a la investigacion a lugares inesperados. por ser el arsénico de mayor tamaño que el fósforo la molecula con contenido de arsénico son menos estables a las temperaturas existentes en la tierra en particular por ser fosfatos los responsables de la estabilidad de la molecula de ADN. A temperaturas mucho mas bajas como por ejemplo las temperaturas existentes en titan una de las lunas de Saturno moleculas con arsénico pueden ser mas estables y es por esta razón que la nueva bacteria descubierta en california puede cambiar el rumbo en la busqueda de vida fuera del planeta tierra.
 
En experimentos que se llevaron a cabo en los laboratorios de la nasa se comprobó que las bacterias pueden crecer tanto en un medio rico en fósforo como en arsénico, en este ultimo caso el arsénico remplazaría al fósforo en el lugar que este ocupa en moleculas vitales.
 
Seguramente el descubrimiento de esta nueva bacteria sera clave en las investigaciones dedicadas a entender el comienzo de la vida en el planeta.