viernes, 27 de septiembre de 2019

CONFERENCIA IGNACIO CIRAC

Un auténtico lujo.


El 26 de septiembre de 2019, Juan Ignacio Cirac, director de la División de Teoría del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, dio una conferencia en la Fundación Ramón Areces, organizada con la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales y la Real Sociedad Española de Física, con el título ‘Ordenadores cuánticos: cómo, cuándo y para qué’.

miércoles, 25 de septiembre de 2019

PRUEBA AUDIO (DISCULPAR LAS MOLESTIAS)

2.3
Título del texto aportado. (el que ponga el autor)
Una voz en la fuga cósmica.


Comenzaré por decir que tengo 54 años, así que algunas de las situaciones que voy a describir puede que les resulten extrañas a los jóvenes de esta época. Sin embargo, me atrevo a pensar que, aunque parezca que el mundo y los humanos han cambiado muchísimo desde la época en la que yo era una niña, en realidad lo que ha cambiado han sido más las formas que lo esencial. Seguimos teniendo deseos y sentimientos parecidos y, entre ellos, creo que hay uno muy poderoso, que es el de poder realizar una actividad profesional que trascienda el objetivo de ganar lo necesario para vivir dignamente y nos haga disfrutar a un nivel profundo. Entre los trabajos que ayudan a cumplir este deseo están aquellos que fomentan el desarrollo de nuestra creatividad, los que nos impulsan a pensar y a no repetir mecánicamente los procesos diseñados por otros. Aquí estaría el lugar de las artes, de la literatura, del diseño, y, por supuesto, también el de la ciencia1.
Sin embargo, yo no nací con la vocación de ser astrobióloga. Ni siquiera con la vocación de ser científica. De hecho, de niña, casi ni me planteaba lo que quería ser de mayor. Nací en un pueblo pequeño y allí pasé mi infancia. En ese lugar y en esa época, los hombres iban al campo y las mujeres, con la honrosa excepción de las maestras, no trabajaban fuera de la casa. Si me hubieran preguntado qué quería ser de mayor, habría dicho primero que ama de casa y luego, si necesitaba trabajar, pues maestra. Eso era lo que se esperaba de mí y yo no me cuestionaba que pudiera ser de otra manera. En esa época disfrutaba mucho de la naturaleza, pero no me planteaba demasiadas preguntas sobre el mundo que me rodeaba. Lo que sí que me llamaba mucho la atención era que los médicos pudieran curar las enfermedades. Que hubiera pastillas o jarabes capaces de corregir lo que funcionaba mal en las personas era algo que me fascinaba. No me asombraba tanto que el enfermo se curara, sino el milagro que hacían esas sustancias dentro de su cuerpo. Supongo que esa fue mi primera inquietud como investigadora, que en algún momento confundí con una vocación médica que ahora veo claro que no tenía.
Unos pocos años más tarde, llegué a Madrid para hacer el bachillerato2, que normalmente se cursaba entre los 14 y los 18 años. Entonces fue cuando comenzaron a perfilarse los intereses que han marcado mi vida. Concretamente, recuerdo una clase de química en la que la profesora nos dijo algo que puede parecer obvio, pero que a mí entonces me supuso una revelación sorprendente y es que los seres vivos y los no vivos estamos hechos de los mismos elementos, que no hay nada mágico en la materia viva, más allá de la diferente organización de esos elementos. A partir de ese momento comencé a plantearme preguntas que nunca antes me había hecho: ¿Qué clase de “programa” puede organizar la materia para que los seres vivos puedan realizar todas esas funciones que los diferencian tan claramente de los no vivos? ¿Por qué algunos seres vivos son capaces de dividirse y poco más mientras que otros son, incluso, capaces de pensar y reflexionar sobre sus propios pensamientos? ¿Por qué hay seres vivos tan distintos cuando, a nivel molecular, todos ellos se parecen tanto? Todos tienen proteínas, tienen ácidos nucleicos, y, sin embargo, con el mismo material ¡cuántas diferencias pueden surgir! Poco a poco, me di cuenta de que quería conocer más y más sobre este tema: ¿Cómo surgió la vida? ¿Cómo se dio ese paso de la química a la biología? ¿Cómo fue aumentando la complejidad en biología? ¿Cuáles son los mecanismos que han permitido que, a partir de la primera célula viva, surja toda la diversidad biológica que existe actualmente? Así, dejé de querer ser maestra y empecé a querer ser bióloga. Quería saber más sobre la vida, sobre sus orígenes, sobre su evolución…  En último caso, pensé que podría ser profesora de biología, y así contentaba a todos, a mi familia que quería que fuera maestra y a mí misma, que me veía bióloga. Pero lo que sucedió, mientras estudiaba la carrera de Biología, es que me di cuenta de que quería hacer algo más que transmitir los conocimientos que yo aprendía. Enseñar me gustaba, no lo voy a negar, pero además, yo quería generar conocimiento. Y entendí que para eso no me quedaba otra opción que la de salirme del camino marcado, ponerme la bata blanca y meterme en un laboratorio. Podéis pensar que tampoco me salí mucho del camino, y tenéis razón. Pero también es cierto que esa decisión supuso cierto coraje, al renunciar a vivir la vida que los demás me aconsejaban, iniciando en cambio mi propia ruta. Y eso no siempre es fácil.

Fig.1. Recreación sobre el origen de la vida en el Universo.

(Crédito: NASA / Jenny Mottar )

Cuando acabé la carrera me empeñé en buscar un laboratorio en el cual aprender el método científico y aplicarlo a un tema de investigación concreto. Tuve mucha suerte, obtuve una beca para realizar un doctorado en el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa. El tema asignado para mi tesis no se parecía mucho a lo que eran mis intereses más profundos, pero no me importó. La verdad es que en los cinco años de mi carrera, jamás había oído la palabra Astrobiología y yo no tenía muy claro dónde dirigirme para investigar en ese campo. Sin embargo, el simple hecho de poder  experimentar cómo era el trabajo científico durante los cuatro años que suele durar un doctorado, ya me parecía un gran logro. Y lo cierto es que, cuando uno se mete en un tema e intenta aportar en él lo mejor de sí mismo, te acaba gustando y yo no fui una excepción en esto. Pero a mí me seguían interesando las cuestiones que ya he comentado y me iban surgiendo otras nuevas: ¿Podría haber vida en otros planetas del sistema solar o incluso fuera de él? ¿La vida tendría que estar basada necesariamente en ácidos nucleicos y proteínas? ¿Podría haber otras moléculas que almacenaran la información genética? ¿Las funciones biológicas tienen que ser necesariamente llevadas a cabo por las proteínas? Y así empecé a darme cuenta de que tenemos muy claro lo que es la vida, pero eso solo es cuando no nos salimos de los límites de lo conocido. En cambio, no tenemos ni idea de cómo podría ser la vida en otro planeta,  ni siquiera de si seríamos capaces de reconocerla.  Y así, dándole vuelta a esas cuestiones, un día mirando el periódico me entero de que están buscando científicos para un nuevo centro de investigación llamado “Centro de Astrobiología”, que se va a dedicar al estudio del origen y evolución de la vida en el Universo. ¡Casi no me lo podía creer! Y menos aún me creía que mi currículum [1] pudiera interesar en un centro como ese, que decían que estaba asociado a la NASA. Reconozco que necesité un pequeño empujón de algunas personas para animarme a presentar una solicitud. Cómo no tenía nada que perder, decidí que, en lugar de escribir un currículum que resaltara mis méritos académicos y profesionales, lo que haría sería describir mi pasión. Hablé sobre las preguntas que me habían motivado a estudiar biología, sobre mis intereses, sobre mi motivación a adentrarme en nuevos terrenos. No dije “quiero ser astrobióloga”, pero lo que describí se parecía mucho a eso. El final es feliz, me contrataron en el Centro de Astrobiología…  ¡y aquí sigo! Mi trabajo consiste en realizar estudios de evolución experimental, para lo cual trabajo con virus y microorganismos.  Los experimentos que realizamos en mi grupo, básicamente consisten en propagar una población ancestral, que tenemos bien caracterizada, en ciertas condiciones que imponemos y controlamos nosotros. Con el paso del tiempo, se genera una población evolucionada, que analizamos y comparamos con la ancestral. De este modo, intentamos no solo encontrar cómo los seres vivos se adaptan a condiciones concretas, sino también extraer conclusiones generales sobre el proceso evolutivo.
Y sigo también con la pasión de enseñar, tanto en el ámbito académico como fuera de él. Creo que la gente quiere saber sobre ciencia, quiere entender el mundo que les rodea y, si los científicos podemos ayudarles, en cierto modo estamos obligados a hacerlo. A fin de cuentas, es la sociedad, quien con sus impuestos, paga nuestras investigaciones [2]. A día de hoy, no sé qué es lo que me hace más feliz si el trabajo científico o el trabajo de divulgación. La divulgación tiene un lado humano que es muy gratificante y que no siempre encuentro en el trabajo puramente científico, así que mi aspiración es seguir haciendo ambas cosas durante todo el tiempo que pueda y los demás me lo permitan.

Notas:
1 Las notas irán numeradas y al final del texto de cada aportación.
2

Referencias:
[1] Las referencias irán numeradas y al final del texto de cada aportación.
[2]

Bibliografía:
Irá al final del texto de cada aportación. Intentaremos utilizar el siguiente formato (ejemplos):
(1) S. Carlip, 2014, Challenges for Emergent Gravity, Stud. Hist. Phil. Sci. B 46, 200 doi:10.1016/j.shpsb.2012.11.002 [arXiv:1001.4965 [hep-th]].
(2) S. Weinberg, 1972, Gravitation and Cosmology, New York, J. Wiley & Son.

Ester Lázaro Lázaro. (Nombre del autor)
Doctora en Ciencias Biológicas.  (Titulación del autor)
Investigadora científica, Departamento de Evolución Molecular del
Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), Madrid. (Filiación del autor)

CONFERENCIAS CSIC

UNA GRAN OPORTUNIDAD

domingo, 1 de septiembre de 2019

Neutrinos - Alberto Casas

¿Qué son los neutrinos?
(Por Alberto Casas)



Los neutrinos son partículas fascinantes que ostentan varios «records». Por ejemplo, son las partículas de materia más ligeras que se conocen. Son también, por lo que sabemos, las partículas de materia más abundantes del universo, solo superadas en número por las partículas de luz, los fotones. Y son las partículas conocidas más difíciles de detectar, ya que interaccionan muy poco con la materia, razón por la cual se tardó mucho en descubrirlas, a pesar de su abundancia. Pensemos que los neutrinos atraviesan la Tierra sin inmutarse (y lo mismo harían con muchos millones de Tierras puestas en hilera). Todos estos records pueden servir para otorgar a los neutrinos el título de "partículas más escurridizas". Pero ¿por qué existen los neutrinos y a qué se deben sus enigmáticas propiedades? Antes de profundizar en ello, hagamos un poco de historia.

La existencia de los neutrinos fue predicha por el gran físico austriaco Wolfgang Pauli en 1930. Pauli observó que en la desintegración de ciertos núcleos radiactivos se producía la misteriosa desaparición de una pequeña cantidad de energía, contradiciendo aparentemente el principio de conservación de la energía. Para resolver el problema, Pauli propuso que, en esas desintegraciones, además de los productos de la desintegración visibles, se producía una partícula indetectable y desconocida que se llevaba la energía que faltaba. En 1934 Fermi bautizó la partícula con el nombre de neutrino. Y hubo que esperar hasta 1956 para que fuera detectada por vez primera.

Con el paso de los años hemos aprendido mucho acerca de los neutrinos, aunque aún quedan aspectos esenciales por aclarar. Los neutrinos, que se suelen denotar por la letra griega n ("nu"), son partículas sin carga eléctrica. Su única interacción conocida, aparte de la gravitatoria, es la llamada interacción débil (ver capítulo 46). Existen tres tipos de neutrinos, llamados neutrino electrónico (ne), neutrino muónico (νμ) y neutrino tauónico (ντ). Estas denominaciones hacen referencia a la partícula cargada (electrón, muón o tau) con la que establecen interacciones. El último neutrino en ser detectado fue el tauónico, ντ, en el año 2000; si bien su existencia ya había sido puesta de manifiesto en los años 70. Se podría pensar que puede haber otras especies de neutrinos aún por descubrir, pero no es así. A partir de resultados de aceleradores de partículas se han reunido pruebas convincentes de que no hay más tipos de neutrinos. Mejor dicho, si los hubiera, deberían ser radicalmente distintos de los conocidos.

Los tres tipos de neutrinos son muy ligeros. De hecho, hasta 1998 no había pruebas de que tuvieran masa. Desde entonces sabemos que la tienen, pero no sabemos cuál es, solo ciertos límites entre los que esta tiene que encontrarse. Concretamente, el neutrino más pesado ha de ser entre un millón y cien millones de veces más ligero que el electrón (la siguiente partícula más ligera).

Hablemos un poco de las fuentes de neutrinos en la naturaleza. La mayor parte de los que llegan a la Tierra provienen del Sol, y en cantidades extraordinarias. Ahora mismo usted está siendo atravesado/a, sin notarlo, por cientos de billones de estos neutrinos por segundo. Los neutrinos solares, que no se detectaron hasta 1968, se producen en los procesos de fusión nuclear que tienen lugar en el interior de nuestra estrella. Dichos procesos son complicados, pero en definitiva lo que hacen es convertir protones (o sea núcleos de hidrógeno) en núcleos de helio (formados por dos protones y dos neutrones). Esquemáticamente, por cada cuatro protones se produce un núcleo de helio más dos positrones (electrones positivos), dos neutrinos electrónicos y radiación electromagnética. La radiación producida es la fuente de la luz y el calor que nos llega del Sol. Curiosamente, cada fotón de luz generado tarda cientos de miles de años en salir del Sol, ya que sigue una trayectoria errática al colisionar con las partículas cargadas que encuentra en su camino (protones, núcleos de helio, electrones, ...). Si el horno nuclear de fusión, que es en definitiva el corazón del Sol, se apagara, tardaríamos esos cientos de miles años en notarlo. Sin embargo, los neutrinos escapan instantáneamente del Sol, ya que apenas interaccionan con nada en su camino.  Y es gracias a ellos que sabemos que el interior del Sol está a pleno funcionamiento.

Los neutrinos se producen también copiosamente en las explosiones de estrellas (supernovas), y están presentes en los rayos cósmicos que llegan a la Tierra desde el espacio exterior. Por otro lado, son emitidos por todos los núcleos radiactivos que experimentan "desintegración beta" (emisión de un electrón), y se generan asimismo, en cantidades enormes, en las centrales nucleares. Estos últimos escapan de la central nuclear sin problemas pero no son peligrosos, ya que nos atraviesan sin producir el menor efecto. Finalmente, los neutrinos fueron producidos en cantidades extraordinarias al comienzo del universo, en los primeros segundos después del Big Bang. Esos neutrinos primigenios son de hecho los más abundantes en el universo. Sin embargo, son tan poco energéticos que aún no han podido ser detectados. Su descubrimiento es difícil y supondría una gran noticia ya que nos proporcionarían información directa de los primeros instantes tras la gran explosión.

Hasta ahora hemos descrito las propiedades más llamativas de los neutrinos. Pero ¿por qué son así? Para atacar esta cuestión conviene explicar cómo encajan los neutrinos dentro del llamado Modelo Estándar (ME) de la física de partículas, que es el esquema teórico del que disponemos para describir la fenomenología de las partículas elementales (hasta ahora con gran éxito).

En primer lugar, hay que decir que, hasta donde sabemos, los neutrinos son partículas verdaderamente elementales, o sea, no están compuestas de otras partículas. Solo 12 partículas de materia forman este grupo selecto. El protón y neutrón (los habitantes de los núcleos atómicos) no pertenecen a este grupo, ya que están compuestos de otras partículas llamadas quarks. Un protón esta hecho de dos quarks de tipo u (up) y un quark de tipo d (down). Podemos escribir p=uud. De la misma forma, la composición de un neutrón es n=udd. Pues bien, el neutrino electrónico, νe , junto al electrón, e,  y los quarks u y d, forman la llamada primera familia de partículas elementales (o familia del electrón):

                          νe                              u

                          e                              d

Existen otras dos familias de partículas elementales, totalmente análogas a la primera: la familia del muón (μ) y la del tau (τ); de forma que en total tenemos las 12 partículas mencionadas. El muón y el tau son prácticamente idénticos al electrón en todas sus propiedades, excepto en su masa: el muón es unas 200 veces más pesado que el electrón, y el tau unas 3.500. Cada uno tiene su familia completa, formada por un neutrino (νμ y ντ, respectivamente) y una pareja de quarks (c, s para el muón, y t, b para el tau). De hecho, cada familia es una réplica casi exacta de la anterior, excepto que las masas de sus partículas son mayores. Nadie sabe por qué la naturaleza se presenta en esta estructura de tres familias con una  jerarquía de masas. El ME no lo explica, sino que parte de este hecho. En ese sentido, el por qué de la existencia de los neutrinos es un misterio, tan grande como la existencia de cualquier otra partícula elemental. Sin embargo, hay que decir que, dada la existencia del electrón y sus interacciones débiles, la estructura matemática del ME exige la existencia de una partícula con las características del neutrino electrónico, νe. Y lo mismo sucede para las otras dos especies de neutrinos, νμ y ντ. Así que, en cierto modo, la teoría explica la existencia de los neutrinos y algunas de sus características, como su ausencia de carga eléctrica y sus interacciones débiles. ¿Y su masa? ¿Por qué es tan pequeña?

Desde el punto de vista teórico el origen y la pequeñez de la masa de los neutrinos es quizá la cuestión más interesante acerca de ellos, y está aún sin resolver, aunque hay modelos teóricos muy interesantes que podrían explicarla. De entrada hay que decir que el ME no da ninguna pista sobre las masas de los neutrinos. De hecho, según la formulación original de esta teoría los neutrinos deberían ser exactamente partículas sin masa, debido a la conservación de una cantidad llamada número leptónico (parecida en cierto modo a la conservación de la carga eléctrica). Sin embargo, desde 1998 sabemos que los neutrinos tienen masa, lo que obliga a una reformulación del ME, lo cual es de por sí muy interesante. En realidad, no es difícil extender el esquema teórico del ME de forma que, incluso manteniendo la conservación del número leptónico, las masas de los neutrinos sean distintas de cero. Pero entonces se plantea el problema de por qué son tan excepcionalmente pequeñas. Parece lógico pensar que debe haber alguna razón teórica detrás de esa pequeñez tan extrema.

Una forma alternativa de pensar es suponer que el ME es una teoría efectiva, válida solo hasta una cierta energía, digamos L, muy por encima de las energías accesibles en los aceleradores de partículas más potentes. Si la teoría completa, que está más allá del ME, viola la conservación del número leptónico, entonces los neutrinos pueden tener masa. Cuanto más grande sea L, más pequeña será la masa de los neutrinos (ya que los efectos de dicha violación están más lejanos). Los cálculos indican que si L » 1014 veces la masa de un protón, entonces la masa de los neutrinos estaría de forma natural en el rango observado. Si este esquema es correcto, la extrema pequeñez de las masas de los neutrinos nos está informando de física más allá del ME, y sugiriendo algunas de sus características: la no-conservación del número leptónico y la gran escala de energías a la que se encuentra. Para comprobar este esquema, hay que verificar experimentalmente que los neutrinos violan la conservación del número leptónico, algo que se está intentando en experimentos que buscan la denominada desintegración doble-beta de ciertos núcleos atómicos (todavía sin éxito). Así que, si este argumento es correcto, los neutrinos podrían ser los mensajeros privilegiados de la física fundamental que se encuentra a altísimas energías, inaccesible por cualquier otro procedimiento.

Para terminar, vamos a discutir un fenómeno extraordinario, que está en el corazón de todo lo que hemos aprendido sobre los neutrinos en los últimos años: las oscilaciones de neutrinos. Como hemos explicado, existen tres tipos de neutrinos: νe, νμ y ντ.  En la jerga de los físicos, estas especies se denominan "sabores" de los neutrinos. Sin embargo los neutrinos físicos, que tienen una masa determinada (aunque aún desconocida), no se corresponden con estos tres sabores, sino que son una mezcla de ellos. Este es un concepto difícil, que entronca con los postulados de la mecánica cuántica, según los cuales una partícula puede estar en una combinación de estados. Imaginemos que tenemos tres botellas llenas de zumo de naranja, de limón y de fresa, respectivamente. Estas botellas representan los tres neutrinos νe,  νμ y ντ.  Ahora tomamos tres botellas vacías y las llenamos con las tres anteriores pero mezclando los zumos. Estas nuevas botellas, llenas de tres "cócteles" distintos representarían los neutrinos con masa bien determinada, que se suelen denotar  ν1,  ν2 y ν3. Estos últimos son los que permanecen estables mientras se propagan, mientras que los otros van cambiando de naturaleza (un resultado de la mecánica cuántica). Esto significa que si creamos un neutrino electrónico, νe, por ejemplo en el interior del Sol, al cabo de un tiempo existirá una cierta probabilidad de que al detectar dicho neutrino nos encontremos que se ha transformado en νμ o ντ. Para que este fenómeno se dé, es necesario que los neutrinos tengan masas y que estas sean diferentes entre sí. Este es el fenómeno de oscilaciones de neutrinos que fue observado por vez primera en los neutrinos provenientes del Sol y en los que se crean en la atmósfera como resultado del impacto de rayos cósmicos ("neutrinos atmosféricos"). De esta forma se han podido determinar las diferencias de masa entre los neutrinos (aunque no su masa absoluta) y los llamados "ángulos de mezcla", que determinan como se mezclan los neutrinos (el contenido de los cócteles anteriores).

En definitiva, sabemos mucho acerca de estas partículas singulares, pero aún quedan cosas trascendentales por entender, las cuales podrían darnos pistas cruciales sobre la teoría última de la naturaleza.


Alberto Casas
Doctor en Física.
Profesor  de Investigación, Instituto de Física Teórica CSIC.