miércoles, 22 de julio de 2015

De chica en chica, y tiro porque me toca


No suelo ver mucho la tele, pero el otro día un anuncio me llamó la atención. Aparece un grupo de amigos en un coche (el cual se pretende anunciar), uno de ellos luciendo una escayola en el brazo. El grupo llega a la conclusión de que la fractura es culpa del karma, por la mala vida que llevaba el muchacho, en especial en lo relativo a las mujeres. Por lo tanto, debería compensar sus malas acciones visitando a todas las mujeres a las que ha hecho daño para pedirles perdón. El conductor muestra en la pantalla del coche una lista (bastante extensa) de afectadas. El de la escayola pregunta si tendrán suficiente gasolina para verlas a todas, a lo que el conductor responde, sin pensárselo ni un momento, con un sí muy rotundo. ¡Ese tío es un crack! - me refiero al conductor, no al de la escayola-.

martes, 21 de julio de 2015

Solución a la pregunta de la Ardilla de Oro 2015

El concurso de la Ardilla de Oro ya ha concluído, así que ya puedo contaros la respuesta a mi pregunta.

La ciudad de la pregunta era Königsberg, que era la capital de Prusia. En sus calles vivieron personajes de la talla de Kant, E. T. A. Hoffmann, Hilbert, Minkowski, Sommerfeld,... 

Durante la Segunda Guerra Mundial, la ciudad de Königsberg sufrió importantes bombardeos, primero soviéticos y en 1944 de la RAF. El centro de la ciudad fue practicamente destruido, incluyendo la catedral y el castillo. En los últimos compases de la guerra, los soviéticos sitiaron y finalmente capturaron la ciudad. Tras la guerra, en la conferencia de Potsdam, se acordó que la ciudad y la región circundante quedaran bajo control soviético, concretamente de la República Rusa. 

La ciudad fue reconstruída, y su nombre cambió a Kaliningrado. Tras la descomposición de la URSS, la región de Kaliningrado permaneció en Rusia. Sin embargo, está completamente rodeada por Polonia y Lituania, de modo que no existe una ruta por tierra que conecte Kaliningrado con el resto de Rusia. Esta situación se conoce como exclave en geografía, y como conjunto no conexo en topología.

Entre otras muchas razones, Königsberg es conocida por el problema de los siete puentes. Por la ciudad pasa el río Pregel (Pregolya), formando dos islas. En el siglo XVIII las distintas partes de la ciudad estaban unidas entre sí por siete puentes. La cuestión era si se podía dar un paseo en el que se cruzara cada uno de los puentes una sola vez. La fotografía en el post era de uno de estos puentes, el Holzbrück (puente de madera).
Leonard Euler propuso la solución en 1736, centrándose en las conexiones entre las distintas partes de la ciudad en vez de en las características geográficas (distancias, longitudes, ángulos,...). A continuación, Euler se dio cuenta de que en la región inicial y final debería de pasarse un número impar de veces, y en el resto de regiones un número par de veces. Como todas las regiones tenían un número impar de puentes, no era posible el camino buscado.
En el artículo en el que Euler propone su solución, hace una de las primeras referencias a lo que hoy se conoce como topología:
Además de la rama de la geometría que trata con distancias, y que siempre ha recibido toda la atención, hay otra rama, hasta ahora casi desconocida, a la que Leibnitz hizo la primera mención, llamándola geometría de la posición [geometriam situs]. Esta rama se ocupa únicamente de la determinación de la posición y sus propiedades; no involucra distancias ni cálculos hechos con ellas. 
 
La interpretación actual de la solución de Euler se hace en términos de grafos, en los que las regiones de la ciudad se representan con nodos y los puentes con vértices. Sin embargo, Euler no utilizó este tipo de herramientas, y el primer uso registrado sucedió a principios del siglo XIX (Poinsot, 1810).

Actualmente en la ciudad de Kaliningrado hay ocho puentes (de los cuales cinco sobreviven desde tiempos de Euler), y es posible realizar un trayecto que visite cada uno de los puentes una sola vez.


Aprovecho la ocasión para felicitar al vencedor del concurso, José Luis "Pepelu" Bueno López, a todos los concursantes, a los anfitriones por el gran nivel de las preguntas, y por supuesto a Borja González Seoane y su blog por organizar esta actividad.

martes, 14 de julio de 2015

Vive rápido, muere joven y deja una bonita resonancia

La desintegración de alguna de las partículas elementales es uno de los procesos más rápidos que podemos observar. ¿Cómo podemos llegar a observar estas partículas tan efímeras, e incluso medir sus propiedades?

lunes, 13 de julio de 2015

Pregunta de la Ardilla de Oro 2015

El blog Metros por Segundo ha lanzado la iniciativa La Ardilla de Oro (#LaArdilladeOro) con el objetivo de promocionar la divulgación científica. La idea es ir saltando de blog en blog, cual ardilla en un bosque, respondiendo una serie de preguntas en el proceso. Desde Bosoneando hemos decidido unirnos en este evento. Si has seguido la ruta, procederás del blog Scire Science, y tu próximo destino será La Ciencia de la Vida. ¡Mucha suerte a todos los participantes!

Esta pregunta transcurre en una ciudad europea. Durante mucho tiempo fue un importante centro cultural, que acogió a científicos, filósofos y escritores. Sin embargo, durante un conflicto bélico fue prácticamente destruida. Acabada la guerra, la ciudad pasó a otro de los estados contendientes, y fue renombrada. Hoy en día la ciudad forma parte del sucesor de aquel estado, aunque está separada del resto del territorio por otros países (por lo que este estado no es conexo <-- ¡PISTA!).

Las calles de esta ciudad protagonizan un famoso enigma. Su solución la ideó un matemático helvético, y es considerada como el punto de inicio de una rama de las matemáticas. La pregunta es ¿cuál es el nombre de esta rama de las matemáticas? [La respuesta debe ser una única palabra]

sábado, 27 de junio de 2015

¿Materia oscura? Lávala con Axión

La identidad de la(s) partícula(s) que constituyen la materia oscura es, a día de hoy, un misterio. Lo único claro es que las partículas usuales del modelo estándar no son capaces de explicar las observaciones cosmológicas. Así que hay que buscar nuevos candidatos. Uno de los más prometedores es el axión.

Un problema muy fuerte

En física de partículas las simetrías son un elemento fundamental para construir las teorías. Tenemos simetrías gauge, simetrías de Lorentz y tres simetrías discretas: la reflexión espacial \(P\) (que cambia las coordenadas \(\vec{x}\) por \(-\vec{x}\)), la conjugación de carga \(C\) (que intercambia partículas y antipartículas) y la inversión temporal \(T\) (que cambia el sentido del tiempo).
En un inicio se pensaba que las teorías físicas respetaban las tres simetrías discretas. Sin embargo, los resultados experimentales de Wu mostraron que en las interacciones débiles se violaba la simetría \(P\). La siguiente hipótesis fue pensar que, aunque no se respetara la simetría \(P\), sí que se cumpliría la simetría \(CP\), es decir, cambiar partículas por antipartículas y darle la vuelta a las coordenadas. Pero de nuevo los experimentos dieron al traste con esta teoría, en este caso en la desintegración débil de los kaones (Nobel para Cronin y Fitch en 1980). Así que ahora tenemos que conformarnos con la simetría \(CPT\), que se tiene que cumplir para que no se viole la causalidad.

Una vez que la simetría \(CP\) perdió su estatus de pieza fundamental en la física de partículas, se investigó su papel en otras interacciones además de la débil. En concreto, se encontró que la interacción fuerte también admitía un término que violara la simetría \(CP\). Este término depende de un ángulo $\theta$. Pero los experimentos indican que las interacciones fuertes respetan la simetría \(CP\), lo que indica que \(\theta = 0\). A priori no hay ningún argumento que requiera que \(\theta=0\) en vez de cualquier otro valor, y el hecho de que así sea requiere un ajuste fino (fine tuning) de los parámetros. Esto es algo muy feo en física, y constituye lo que se conoce como problema CP fuerte.

Axión al rescate

La solución propuesta por Peccei y Quinn al problema CP fuerte fue el axión. En vez de ver \(\theta\) como un parámetro fijo, consideraron que era un campo \(\theta(x)\) con su propia dinámica, el campo axiónico. Para minimizar la energía, el valor de este campo era de manera natural \(\theta(x)=0\).
Los nombres que reciben las partículas son, en muchas ocasiones, bastante particulares: ya hemos visto partículas extrañas, con belleza (incluso belleza oculta), quarks, y puede que algún día hablemos de fantasmas y de pingüinos... El caso del axión no es una excepción. Uno de los padres del concepto, Frank Wilczek, se había quedado sin ideas de cómo llamar a este campo. Pero la inspiración le llegó en el momento más insospechado: mientras hacía la colada. El detergente que estaba usando era de la marca Axion, y el nombre le pareció llamativo, adecuado porque el nuevo campo "limpiaba" el problema, y además acababa en -on, como muchas de las pertículas ya conocidas.
Como en todo campo, hay una partícula asociada, el axión. El mecanismo de Peccei-Quinn requiere que el axión sea un bosón escalar (es decir, con espín 0) con masa muy pequeña y eléctricamente neutro. 
El axión interacciona con la materia ordinaria de una manera muy débil: en un campo magnético muy intenso, un axión se puede transformar en un fotón, que sí se puede detectar.
Además, tras el big bang se habrían creado una gran cantidad de axiones, aun presentes hoy en día. Esto se debe a que en el universo primigenio el ángulo \(\theta(x)\) tomaba distintos valores en diversas regiones del universo, y durante su expansión \(\theta\) fue tendiendo a cero, creando excitaciones del campo, esto es axiones. Así que tenemos un gran número de partículas, que crean un campo gravitatorio pero por lo demás apenas se relacionan con las demás. Por ello se propone que los axiones puedan ser uno de los constituyentes de la materia oscura.

Telescopios de axiones

De momento, los axiones son solamente partículas hipotéticas. Sin embargo, hay varios experimentos diseñados para observarlos. Hace unos meses, el telescopio de rayos X XMM-Newton de la ESA reportó un exceso de rayos X que podría estar causado por la conversión de axiones en fotones en el campo magnético terrestre.
Variación temporal del flujo de rayos X procedentes de axiones detectado por XMM-Newton [fuente]
De entre todos los experimentos que tratan de buscar axiones, unos de los más prometedores son los telescopios de axiones del CERN. Estos aparatos no buscan axiones que formen parte de la materia oscura, sino los que se producirían en el Sol. El experimento CAST, en marcha desde 2003, consta de un imán superconductor igual a los que se emplean en LHC y un detector de rayos X, que apuntan hacia el Sol durante el amanecer y el anochecer. 

El CAST no ha encontrado señales de axiones en el rango de masas que es capaz de observar, por lo que ya está en marcha el diseño de su sucesor, el IAXO, que cuenta con imanes más potentes especialmente diseñados para esta misión. Tanto CAST como IAXO tienen una importante contribución española, de la Universidad de Zaragoza.

Para saber más

P. Berné: Aragón diseña un 'telescopio' para ver la materia oscura. Heraldo de Aragón, 27/672015
Enrique F. Borja: Materia oscura - toma uno - claqueta - axión. Cuentos cuánticos
Francisco R. Villatoro: La búsqueda de las axiones como candidatos a materia oscura. La ciencia de la mula Francis