Breve introducción a los aceleradores de partículas

Los aceleradores de partículas son dispositivos en los que mediante la aplicación de campos eléctricos y magnéticos se le suministra una energía a la partícula que se pretende acelerar con el propósito de conseguir diversos objetivos, que van desde la pura investigación de la estructura de la materia que compone el universo hasta las aplicaciones médicas o industriales.

El uso de partículas para la investigación de la estructura de la materia se empleaba mucho antes de que los aceleradores de partículas existieran. En este periodo pre-aceleradores, Rutherford utilizó fuentes de Radio y Thorio para obtener partículas alfa que dirigía hacia un objetivo. Con estas partículas alfa, Rutherford demostró la existencia de un núcleo cargado positivamente en el interior de los átomos. También utilizó partículas alfa para producir la primera reacción nuclear de manera artificial.

Sin embargo, la energía utilizando las partículas alfa de este modo no era suficiente para investigar en profundidad la materia. Se necesitaban energías superiores.

A comienzos del siglo XX se utilizaban tubos de vacío a los que se les aplicaba una diferencia de potencial entre los extremos. A continuación se inyectaban electrones en el tubo y eran acelerados debido a esa diferencia de potencial. Con estos dispositivos, se producían los rayos X. Pero el objetivo era vencer la barrera culombiana del núcleo recién descubierto por Rutherford, así como seguir produciendo reacciones nucleares artificiales, y para ello se necesitaban energías todavía más altas.

En 1932, Cockroft y Walton consiguieron acelerar protones a 400 keV usando un multiplicador de voltaje diseñado por ellos. Los protones acelerados así los utilizaron para bombardear Litio y obtener Helio (Li + p -> 2He). A partir de aquí, comenzó la era de los aceleradores de partículas. En los años 50 del siglo XX, el principal uso de los aceleradores era estudiar la estructura del núcleo atómico, es decir, se utilizaron los aceleradores como un microscopio, ya que según de Broglie las partículas tienen una longitud de onda asociada λ = h/p=hc/E. Por lo que a mayor energía E, menor longitud de onda λ y las partículas pueden penetrar mejor en el interior del núcleo. Por ejemplo para energías de 1 GeV, la longitud de onda asociada es 10-13 cm, que es el diámetro del protón y por lo tanto, se necesitan energías superiores a 1 GeV para poder estudiar la estructura interna del núcleo.

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Multiplicador de voltaje de Cockcroft & Walton. Fuente

Además en investigación en física de partículas, estas han de ser creadas a partir de la energía propia de la colisión de dos partículas aceleradas, según Einstein (E=mc2). Si consideramos la masa del protón, la energía en reposo usando la ecuación de Einstein es aproximadamente de 1 GeV, por lo que esta energía nos da un umbral para la creación de partículas en colisiones protón-protón.

El multiplicador de voltaje de Cockroft y Walton era capaz de conseguir grandes voltajes, e incluso introduciendo mejoras se podían conseguir diferencias de potencial aún mayores, pero pronto alcanzaba su nivel de saturación en el que para conseguir grandes energías para acelerar las partículas era necesario aumentar el tamaño del dispositivo de manera excesiva. Para ello se empezó a desarrollar otro tipo de aceleradores basados en corriente continua (DC, por direct current).

En los aceleradores de DC, la unidad que genera el alto voltaje se conecta a un tubo rectilíneo en el que las partículas son aceleradas en un solo paso a través del tubo. Ejemplos de aceleradores de DC son el acelerador de Van de Graaf o el acelerador electrostático tipo tándem. Estos aceleradores alcanzaban la saturación por debajo de energías de 1 GeV. Por lo tanto, estos aceleradores no son útiles para el estudio en física de partículas, pero sí para estudios de física nuclear y aceleración de iones. Algunos de estos aceleradores también se utilizan en la industria y en aplicaciones médicas.

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Aceleradores de Van der Graaf. Fuente

Para seguir avanzando en investigación en física de partículas, se necesitaban energías mayores. Por ello se empezaron a desarrollar equipos que aceleraban las partículas a través de cavidades usando aceleración por radiofrecuencia (RF). Con esta tecnología se pudieron desarrollar dos tipos de aceleradores de RF: los lineales y los cíclicos o circulares.

Los aceleradores lineales tienen una geometría rectilínea al igual que los aceleradores de DC, pero al contrario que éstos, utilizan una aceleración en varios pasos, a través de la aplicación de campos eléctricos que alternan su polaridad entre sucesivas cavidades separadas entre sí. De este modo, cuando la partícula pasa de cavidad a cavidad a través del espacio entre ellas, se va encontrando potenciales eléctricos alternos que las aceleran en cada paso. Estos aceleradores son más conocidos como LINACs (Linear Accelerators)

En otros casos, se utilizan cavidades de radiofrecuencia cuadripolares, de manera que al mismo tiempo que se consigue una aceleración del haz de partículas al paso por la cavidad, también se consigue enfocar el haz. Esto es útil cuando se quiere hacer colisionar el haz contra un objetivo o contra otro haz, cosa que sucede en prácticamente todas las aplicaciones de los aceleradores de partículas.

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Izquierda: Principo de construcción de un acelerador lineal según Ising y Wideröe. Fuente. Derecha: cavidades de radiofrecuencia cuadriculares. Fuente

Los aceleradores circulares o cíclicos utilizan las cavidades de radiofrecuencia para acelerar los haces de partículas, de la misma manera que los aceleradores lineales, pero a su vez emplean campos magnéticos para curvar la trayectoria de los haces y mantenerlos confinados en la trayectoria circular.

El primer acelerador circular, el ciclotrón, utilizaba una frecuencia fija de giro. Este acelerador también utiliza un campo magnético fijo en la dirección perpendicular al plano de giro del haz. Este acelerador fue desarrollado por Ernest Lawrence (más información sobre Lawrence y su ciclotrón aquí y aquí).

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Vista de un ciclotrón. Fuente

Uno de los problemas del ciclotrón es que el campo magnético perpendicular al plano de giro pierde intensidad en los extremos. Además debido al aumento de masa de las partículas por efectos relativistas, el diámetro de estos aceleradores estába limitado a 1 m. Por ello, en 1945, se desarrolló el sincrociclotrón que aplicaba una frecuencia variable para compensar el aumento de masa por efectos relativistas y la pérdida de intensidad del campo magnético. De esta manera, se podían conseguir energías máximas muy superiores al ciclotrón.

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Sincrociclotrón. Fuente

En 1952, se desarrolló el primer sincrotrón (Cosmotrón) en el que en lugar de tener un gran imán para mantener la curvatura de los haces de partículas, se utiliza un anillo de potentes imanes que curva las partículas a su paso. Además la intensidad del campo magnético de los imanes se puede variar, de manera que a cada paso del haz por el imán el campo magnético se hace más intenso para compensar la energía que ha ganado en el paso anterior por la cavidad de radiofrecuencia. Los sincrotrones se utilizan en combinación con aceleradores lineales que actúan como inyectores de los haces de partículas.

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Un sincrotrón, el Tevatrón de Fermilab. Fuente

Además, en un sincrotrón se utilizan varios tipos de imanes. Así, los imanes dipolares curvan las trayectorias y los cuadripolares enfocan el haz para hacerlo cada vez más estrecho, y evitar que las partículas se dispersen y choquen contra las paredes de los imanes causando daño.

Finalmente, con el desarrollo de la superconductividad, se ha conseguido desarrollar cavidades de radiofrecuencia superconductoras así como electroimanes superconductores. Esto ha dado pie a poder alcanzar aceleraciones muy superiores, al mismo tiempo que poder curvar las trayectorias más amplias que suceden al alcanzar energías mayores, como es el caso del LHC que recientemente ha empezado su run II alcanzando energías de colisión en el centro de masas de 13 TeV.

Esta entrada participa en la edición del LXII Carnaval de la Física que es albergado en esta ocasión en el blog La Aventura de la Ciencia de Daniel Martín Reina

Referencias

CERN Accelerator School – General Accelerator Physics Proceedings. Vol. I. 3-14 Septiembre 1984

Del efecto fotoeléctrico, telescopios y teléfonos móviles

¿Qué tienen en común Planck, Einstein, el telescopio espacial Hubble y tu teléfono móvil? Vamos a verlo poco a poco.

En 1900, Planck propuso, para explicar la radiación del cuerpo negro, que la energía estaba cuantizada. La energía no era emitida y absorbida por el cuerpo negro de manera continua sino en paquetes discretos o cuantos de manera que era proporcional a la frecuencia de la radiación (E=hυ, donde h es la constante de Planck y υ la frecuencia de la radiación).

Einstein utilizó esta idea para explicar uno de los problemas que había descubierto Herz en 1887, el efecto fotoeléctrico. Al incidir luz sobre una superficie metálica se emitían electrones. En aquella época, se esperaba que al aumentar la intensidad de la luz que incidía sobre la superficie, la energía cinética de los electrones emitidos aumentaría, pero eso no sucedía. Fue Einstein en 1905 quien, utilizando la hipótesis cuántica de Planck, propuso que, si se consideraba que la luz estaba cuantizada, un solo cuanto de luz (fotón) incidía sobre un electrón de la superficie y éste era emitido. Al aumentar la intensidad de la luz incidían más fotones y se emitían más electrones, pero la energía absorbida por cada electrón no cambiaba.

Antes de llegar al telescopio Hubble y a tu teléfono móvil, vamos a dar un salto en el tiempo, en concreto nos vamos a 1969. En aquella época, dos científicos que trabajaban en los laboratorios Bell fueron “motivados” por su jefe a participar en una competición interna de la compañía para desarrollar mejores memorias de burbuja, uno de los inventos de los laboratorios Bell. William Boyle y George Smith se reunieron para ver como podían mejorar esas memorias. El resultado de esa reunión fue el diseño de lo que se llama dispositivo de carga acoplado o CCD (Charged Coupled Device). No les salió bien la idea porque el dispositivo no servía como memoria, pero por casualidades del destino, como sensor de imágenes era fantástico.

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Notas de la reunión de Boyle y Smith

Un CCD es un sensor hecho de silicio cuyo tamaño es similar al de un sello y hace uso del efecto fotoeléctrico. Cuando la luz (fotones) inciden sobre uno de los píxeles del sensor, hace que los electrones que hay en ellos se liberen. Estos electrones son recogidos y transportados de manera que se puede conseguir que una imagen óptica (la creada por la luz), se convierta en una señal eléctrica que a su vez se pueda digitalizar en forma de unos y ceros.

Este tipo de sensores pronto se hizo famoso. Un año después, en 1970 Boyle y Smith fabricaron la primera video cámara usando CCDs y cinco años después alcanzaron la suficiente resolución como para retransmitir imágenes por televisión. Unos años después la primera cámara que empleaba CCDs apareció en el mercado y la fotografía, definitivamente, se empezó a digitalizar.

Hasta los astrónomos se empezaron a beneficiar del desarrollo de los CCDs y se empezaron a olvidar de sus antiguas películas fotográficas. En 1974 se tomó la primera imagen de la luna con un sensor CCD y en 1979 se instaló una cámara en el telescopio de Kitt Peak en Arizona.

Si a las ventajas de las imágenes digitales por CCD le añadimos la posibilidad de liberarnos de las distorsiones generadas por la atmósfera, podemos obtener imágenes como las proporcionadas por la Wide Field and Planetary Camera del telescopio Hubble que son de las imágenes más sorprendentes que podemos ver.

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Los pilares de la creación en M16. La imágen que nunca puede faltar cuando se habla del telescopio Hubble

Y como no podía ser de otra manera, esta tecnología ha sido trasladada a nuestros bolsillos y ahora todos podemos disfrutar de tecnología basada en descubrimientos de hace un siglo que además puede ser considerada tecnología espacial.

Ahora que vienen elecciones, podéis darles la razón a los políticos que se hacen selfies con sus teléfonos móviles y los cuelgan en las redes sociales después de haber dicho eso de que la investigación científica no lleva a ningún sitio. Efectivamente…

Referencias

Física. Paul A. Tipler. Tercera Edición. Editorial Reverté
Astrofísica. Manuel Rego y María José Fernández. Eudemauniversidad.
“The 2009 Nobel Prize in Physics – Popular Information”. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 28 Jan 2015.

La Física en las Ciencias Sociales: Ettore Majorana

Tradicionalmente ha existido una separación entre las ciencias naturales y las ciencias sociales. Normalmente, si alguien se especializa en un campo de las ciencias naturales, se aleja por completo de las ciencias sociales y viceversa. El conocimiento adquirido en un campo deja de ser, por tanto, aplicado al otro campo. En principio, puede parecer que esta separación es natural, ya que puede llegar a ser complicado aplicar, por ejemplo, la Física cuántica, que trata de los componentes del mundo muy pequeños, a la economía, que en pocas palabras consiste en el estudio del dinero y sus movimientos.

Sin embargo en un mundo cada vez más interdisciplinario, el beneficio que se puede obtener en la aplicación de las ciencias naturales en las ciencias sociales o viceversa puede ser inmenso.

Tal es el caso, un tanto desconocido, de un gran físico italiano de la primera mitad del siglo XX: Ettore Majorana.

Vida de Ettore Majorana

Nacido en 1906 en Catania, ciudad de la isla italiana de Sicilia, inició sus estudios, quizá influido por una familia compuesta de abogados, políticos e ingenieros, en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Roma.

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Ettore Majorana (Fuente: Wikimedia Commons)

Por aquel entonces, en dicha universidad la enseñanza era eminentemente práctica y ciertos alumnos, que gustaban de la especulación teórica, se fueron alejando de esta manera de enseñar y acercándose cada vez más al Instituto de Física de Roma situado en la Vía Panisperma, en el que daba clases el gran Enrico Fermi. Uno de los estudiantes que cambió de Escuela fue Emilio Segrè (también fue uno de los grandes físicos de esa época), también Siciliano y amigo de la infancia de Ettore.

Siendo Ettore otro de esos estudiantes hastiados de la enseñanza práctica de la ingeniería, cuando Segrè le ofreció la oportunidad de visitar el Instituto de Física y conocer a Fermi pronto aceptó la invitación, quedando tan encantado con las enseñanzas que se impartían allí que finalmente abandonó la ingeniería y empezó a estudiar física bajo el auspicio de Fermi, que además fue el director de su tesis doctoral, la cual leyó el 6 de Julio de 1929 y que llevaba por título “Sulla mecánica dei nuclei radioattivi”.

En la Vía Panisperma, Ettore pronto impresionó a sus compañeros, ganándose el apelativo de “Il Grande Inquisitore” por su gran espíritu crítico que aplicaba no sólo a su trabajo, sino al de todos, ya fueran compañeros directos o pertenecientes a otra institución científica.

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Los chicos de la Via Panisperma. De izquierda a derecha: Oscar D’Agostino, Emilio Segrè,  Edoardo Amaldi, Franco Rasetti y Enrico Fermi (Fuente: Wikimedia Commons)

En cuanto a su personalidad también fue una persona de alto interés para sus compañeros, ya que parecía que se dedicaba a la física como un hobby en lugar de como profesión. Cuenta Edoardo Amaldi (otro físico que siguió los pasos de Segrè y Majorana al pasar del Instituto de Ingeniería al Instituto de Física), en la biografía que escribió sobre Majorana “La vita e l’opera di Ettore Majorana”, diversas anécdotas sobre su vida, como aquella en la que habiendo recibido el número del “Comptes Rendus” en el que Frederic Joliot e Irène Curie publicaron sus notas sobre la radiación incidente descubierta por Bethe y Becker, comentó “No han entendido nada, se trata probablemente de protones de retroceso producidos por una partícula neutra pesada”.

A partir de aquí, y tras el descubrimiento del neutrón por Chadwick, Majorana comenzó a elaborar una teoría del núcleo ligero compuesto de protones y neutrones. Tras comentar esta teoría a Fermi, éste le pidió que la publicara, pero se negó. Majorana, a pesar de haber hecho grandes contribuciones a la física, publicó en muy pocas ocasiones debido a una enorme reticencia a hacerlo, quizá debido a que nunca estaba satisfecho del todo con su propio trabajo y deseaba mayor perfección o quizá debido a lo que los demás pudieran opinar sobre su trabajo. Solamente publicó diez artículos (siendo el último artículo publicado de manera póstuma), de los cuales nueve fueron escritos en italiano y uno en alemán, siendo el italiano un idioma que no se encontraba muy extendido en la comunidad científica internacional.

Tras la publicación por Heisenberg en 1932 de un artículo clave para entender las fuerzas de intercambio de coordenadas espaciales y de spin, muchos en la Vía Panisperma, incluido Fermi, pensaron que el trabajo que Majorana se negó a publicar contenía la misma teoría y que por lo tanto había entendido el problema mucho antes de Heisenberg y se podría haber adelantado en la publicación. Tras esto, lo animaron a publicar el artículo, pero opinaba que Heisenberg ya lo había dicho todo, y mucho más, y que no merecía la pena. Tras intentar persuadirlo de la publicación, Fermi consiguió convencerlo para que fuera durante unos meses al extranjero, Leipzig y Copenhague, viaje que realizó con la ayuda de una beca del Consejo Nacional de Investigación a comienzos de 1933.

A su vuelta a Roma, Ettore comenzó a ausentarse del Instituto de Física cada vez más, hasta el punto de que pasaba largas temporadas fuera de él. Permanecía en casa dedicando un número extraordinariamente elevado de horas al estudio, en las cuales comenzó a interesarse por la economía política, la vida política y además aumentó su interés por la filosofía, más concretamente por el pensamiento de Schopenhauer. Se pensó que durante ese tiempo, se había mantenido ajeno a la física, pero documentos hallados en los últimos años, han demostrado que no fue así, ya que, por ejemplo, se ofreció a dar cursos gratuitos sobre física en el Instituto de Física de Roma que, sin embargo, no tuvieron lugar.

En 1937 volvió a sentir un interés renovado en la física teórica y desde el Instituto de Física le convencen de que publique un artículo que tenía guardado desde 1932, en el que matizaba las ideas de Paul Dirac sobre antipartículas titulado “Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone” y que posteriormente se convertiría en un artículo de referencia, cuya aplicación a la investigación, desde el punto de vista experimental, está todavía de actualidad.

Tras dicha publicación, Fermi y sus compañeros le animan a presentarse a un examen para obtener una plaza de profesor de física teórica en la Universidad de Palermo, pero duda. Finalmente, sin contárselo a nadie, decide optar a la plaza de la Universidad de Palermo y la consigue. Aquí llegamos a otro ejemplo de poder y presiones en el ámbito político. El senador Giovanni Gentile previendo que el hecho de que Majorana consiguiera la plaza de Palermo fuera una competencia para su hijo Giovanni Gentile Jr., presiona al entonces presidente del Consejo de Ministros de Italia Benito Mussolini para que nombre a Majorana como catedrático de Física Teórica de la Universidad de Nápoles.

Majorana se incorpora el 13 de enero de 1938 a su catedra en Nápoles y desempeña sus funciones de manera normal, pero dos meses más tarde, el 25 de Marzo, envía una carta al director del Instituto de Física de Nápoles diciendo que deja las clases y que recordará a todos los profesores y estudiantes del Instituto “al menos hasta las once de la noche de hoy, y posiblemente incluso más tarde…”. Sin embargo, al día siguiente envía un telegrama pidiendo que olvide la carta y al mismo tiempo envía otra carta indicando que “el mar le ha rechazado”, pero que no quiere volver a las clases.

La policía es movilizada para buscar a Ettore, alertados por sus amigos y familiares, y encuentran a un testigo que dice haberlo visto el 26 de Marzo por la noche en un barco de Palermo a Nápoles.

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Cartel de búsqueda de Ettore Majorana (Fuente: Wikimedia Commons)

Nada más se supo de su persona. Todavía queda la duda de si se suicidó (nunca se encontró su cuerpo) o si se ocultó en algún lugar.

El décimo artículo

Como se ha mencionado, Majorana, sólo escribió diez artículos. El décimo fue encontrado por uno de sus hermanos entre los papeles que Ettore tenía guardados.

Dicho artículo, escrito en italiano, fue publicado en 1942 en la revista internacional italiana Scientia1 gracias a uno de los amigos de Ettore, cuyo nombre ya nos ha aparecido con anterioridad, Giovanni Gentile Jr.

El hecho de que el artículo fuera escrito en italiano puede que fuera una de las razones por las que no llegó a una gran audiencia, pero también fue porque en dicho artículo daba su punto de vista, el punto de vista de un físico, sobre el valor de las leyes estadísticas en la física y en las ciencias sociales, de ahí el título del artículo “Il valore delle leggi statistiche nella fisica e nelle scienze social2”.

En la nota que acompañaba a la publicación en Scientia, escrita por Gentile Jr., se podía leer lo siguiente:

Este artículo de ETTORE MAJORANA – el gran físico teórico de la Universidad de Nápoles desaparecido el 25 de Marzo de 1938 – fue originalmente escrito para una revista de sociología. No fue publicada quizás debido a la reticencia que tenía el autor hacia la interacción con otros. Reticencia que le llevó con demasiada frecuencia a guardar importantes artículos en un cajón. Este artículo ha sido conservado por el dedicado cuidado de su hermano y presentado aquí no sólo por el interés intrínseco del tema sino sobre todo porque nos muestra uno de los aspectos de la rica personalidad de MAJORANA que tanto impresionaba a la gente que le conocía. Un pensador con un agudo sentido de la realidad y con una mente extremadamente crítica que no escéptica. Toma aquí una clara posición con respecto al debatido problema del valor estadístico de las leyes básicas de la física. Este aspecto, considerado por muchos académicos un defecto similar a la carga que el indeterminismo presenta en la evolución de la naturaleza es, de hecho, para MAJORANA una razón para reclamar la importancia intrínseca del método estadístico. Hasta ahora este método se ha aplicado sólo a las ciencias sociales y en la nueva interpretación de las leyes físicas recupera su significado original. GIOVANNI GENTILE jr., 19423

Estudios recientes han demostrado que Majorana escribió el artículo por petición. Fue su tío Giuseppe Majorana, profesor de Economía en la Universidad de Catania, con intereses en la investigación en estadística aplicada y teórica, quien le solicitó por carta en 1936 que escribiera el artículo con motivo de su jubilación como profesor.

En este artículo, Majorana reflexiona sobre el comportamiento estadístico de los fenómenos físicos y como se pudieran parecer a los comportamientos propios de las ciencias sociales y del comportamiento humano.

Desde el punto de vista físico, Majorana defiende que hay aspectos característicos de la mecánica cuántica que la diferencian enormemente de la mecánica clásica:

No existen en la naturaleza leyes que expresen una sucesión fatal de fenómenos; también las últimas leyes relacionadas con los fenómenos elementales (sistemas atómicos) tienen carácter estadístico, permitiendo establecer solamente la probabilidad de que una medición verificada en un sistema preparado de un modo determinado dé un cierto resultado, y esto cualesquiera que sean los medios de que disponemos para determinar con la mayor exactitud posible el estado inicial del sistema. Estas leyes estadísticas indican una falta real de determinismo, y no tienen nada en común con las leyes estadísticas clásicas, en las cuales la incertidumbre de los resultados deriva de la renuncia voluntaria por razones prácticas a indagar los aspectos particulares de las condiciones iniciales de los sistemas físicos.

Actualmente, En las ciencias sociales se considera que las leyes estadísticas son necesarias para el modelado de comportamientos. Sin embargo, tanto en las ciencias naturales como en las sociales, esto no siempre ha sido así. Majorana pone de relieve que la naturaleza estadística de los fenómenos que ocurren en las ciencias naturales, como muestra la mecánica cuántica, sugiere que estas mismas leyes estadísticas sean aplicadas al modelado de los comportamientos sociales y económicos. Uno de los ejemplos más claros de aplicación de esta aproximación es el modelo de Black-Scholes para la valoración de opciones, utilizado en el ámbito financiero4.

Dicho artículo también da muestras de como su interés por la filosofía tiene su resultado en la comprensión del mundo que le rodea en función de los resultados físicos de la naturaleza:

El determinismo, que no deja ningún sitio a la libertad humana y obliga a considerar como ilusorios en su finalidad aparente todos los fenómenos de la vida, presenta una causa de debilidad real. Esta es una irremediable e inmediata contradicción con los datos más evidentes de nuestra consciencia.

A pesar de su poca contribución escrita, las grandes aportaciones de Ettore Majorana a la física son incuestionables. Además, el valor de su último artículo hizo cambiar la visión que hasta entonces se tenía de las ciencias sociales a través de su relación con las ciencias naturales y la naturaleza de las leyes estadísticas, haciendo que desde otras disciplinas distintas a la física se reflexionara sobre el papel que dichas leyes juegan en los mecanismos sociales y económicos.

La triste desaparición de Ettore Majorana dejó un vacío los científicos que dedican su vida a la comprensión de los fenómenos de la naturaleza pero, como todo gran científico, su legado sigue siendo importante incluso después de su muerte.

Notas

  1. La web de la revista Scientia es http://www.scientiajournal.org/
  2. La primera traducción del artículo original al inglés se debe a Rosario Nunzio Mantegna del Dipartimento di Física e Tecnologie Relative de la Università de Palermo, realizado en 2005. La única traducción que he encontrado en castellano se debe a Ramón F. Reboiras y C. Allones Pérez del Departamento de Sociología y Ciencia Política y de la Administración de la Universidad de Santiago, realizado en 2004.
  3. Traducción propia del inglés.
  4. Se puede encontrar más información sobre el modelo de Black-Scholes en, por ejemplo, Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Black%E2%80%93Scholes_model

Para saber más

Sobre la vida y desaparición de Ettore Majorana se ha escrito mucho y existen muchas entradas en blogs que son interesantes, por ejemplo El misterio Majorana en La ciencia de tu vida

Una de los campos de investigación experimental abiertos actualmente es descubrir si los neutrinos son su propia antipartícula, es decir, si son partículas de Majorana, ya que fue él quien lo predijo. En el blog Faster than Light que Juan José Gómez Cadenas tiene alojado en Jot Down Cultural Magazine, habla sobre este asunto en la entrada Paisaje sin neutrinos (III), decíamos ayer… Nadie mejor que Juan José para explicarlo, ya que lidera el experimento NEXT que  investiga si, efectivamente, el neutrino es su propia antipartícula.

Referencias

Allones Pérez. Majorana: Materiales para una biografía. EMPIRIA. Revista de Metodología de Ciencias Sociales. Nº 7, 2004, pp. 183-209

Ettore Majorana, El valor de las leyes estadísticas en la física y en las ciencias sociales. Traducción de Ramón F. Reboiras y C. Allones Pérez, EMPIRIA. Revista de Metodología de Ciencias Sociales. Nº 7, 2004

Rosario Nunzio Mantegna. The tenth article of Ettore Majorana, 2006. arXiv: physics/0608279v1 [physics.hist-ph]

Rosario Nunzio Mantegna. Majorana’s article on “The value of statistical laws in physics and social sciences”, 2006. PoS (EMC2006) 011

Rosario Nunzio Mantegna. Sicily and the development of Econophysics: the pioneering work of Ettore Majorana and the Econophysics Workshop in Palermo, 2014. arXiv:1409.0789v1 [physics.hist-ph]

El inicio de la investigación en rayos cósmicos

Todo en la vida tiene un principio, y la ciencia y todas sus ramas no son menos. Tal es el caso de la investigación en rayos cósmicos, pero ¿qué son los rayos cósmicos? Explicado de una manera sencilla, son partículas subatómicas, mas pequeñas que los átomos como pueden ser los propios componentes del átomo tales como los protones, que vienen del espacio exterior y que se mueven a velocidades próximas a la velocidad de la luz.

 Victor Hess

Victor Hess

Estudiando la radiactividad a principios del siglo XX se descubrió que cuando se colocaba un electroscopio, que son unos dispositivos para determinar si un cuerpo tiene carga eléctrica (no nula) y su signo (carga positiva o carga negativa), cerca de una fuente radiactiva el aire se ionizaba, es decir los átomos y moléculas del aire adquirían una carga eléctrica. Si se colocaba el electroscopio lejos de la fuente radiactiva, se descubrió que el aire también estaba ionizado, por lo que se pensó que se debía a la existencia de fuentes de radiactividad natural en la superficie o el interior de la tierra y que esta ionización debía disminuir con la altura.

 Electroscopio

Funcionamiento de un electroscopio

En 1910 el físico austriaco Victor Hess, se subió a la torre Eiffel de París cargado con un electroscopio para intentar determinar cuál era la altura a la que la ionización se hacía despreciable o nula. El resultado fue sorprendente, ya que en lugar de disminuir la ionización, ésta aumentaba. Como cualquier resultado científico ha de estar acompañado de múltiples evidencias y soportado por varios experimentos realizados, a ser posible, en diferentes condiciones, Hess repitió su experimento ¡a 5000 metros de altura! Para ello, en 1912, se subió a un globo, pero esta vez acompañado de una cámara de ionización.

Una cámara de ionización básicamente es un instrumento en el cual hay un gas entre dos placas metálicas a las cuales se les aplica un voltaje. Cuándo el gas de su interior se ioniza debido a, por ejemplo, el impacto de un rayo cósmico, los iones generados se desplazan hacia una de las placas metálicas debido al voltaje aplicado, de manera que se crea una corriente eléctrica que se puede medir.

Los resultados que obtuvo Hess fueron los mismos que los que obtuvo en la torre Eiffel, por lo que llegó a la conclusión de que la radiación causante de la ionización no venía de abajo, sino de arriba. El nombre de rayos cósmicos, no es de esa época, sino de 1932 cuando Robert Millikan denominó de esta manera a la radiación que provenía del espacio exterior ya que pensaba que se trataba de rayos gamma que era la radiación electromagnética más penetrante conocida, aunque más tarde se descubriría que no era radiación electromagnética sino partículas con masa en su mayor parte.

Desde el descubrimiento de Hess, la historia de los rayos cósmicos ha avanzado mucho hasta hoy.

Dimitri Skobelzyn utilizó la cámara de niebla para detectar las primeras trazas de productos de rayos cósmicos en 1929, al igual que hiciera Carl Anderson en 1932 para detectar el positrón, que es la anti-partícula del electrón, es decir, una partícula que es idéntica al electrón pero con carga positiva (pero no es el protón, ya que este aunque tiene carga positiva tiene una masa casi 2000 veces superior a la del electrón).

Mas tarde en 1938, Pierre Auger, habiendo colocado detectores en varios puntos distantes de los Alpes, detectó que la llegada de partículas a ambos detectores era simultánea, con lo que dedujo que el impacto de partículas de alta energía en las capas altas de la atmósfera generaba unas cascadas de partículas secundarias.

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 Cascada de partículas generada en la atmósfera por el impacto de un rayo cósmico

Actualmente los detectores que se usan para estudiar rayos cósmicos son más complejos y debido a que la intensidad de las partículas que vienen del espacio es mayor a alturas mayores, la mayoría de los experimentos se colocan en montañas y zonas elevadas como es el caso del observatorio Pierre Auger en la Pampa Amarilla en Argentina con unas alturas medias sobre el nivel del mar de 1400 m o el experimento MAGIC en el Observatorio del Roque de los Muchachos de la Isla de la Palma en las Islas Canarias.

MAGIC

Telescopios del Experimento MAGIC en el Roque de los Muchachos

Nuestros detectores están incluso en el espacio, como el Espectrometro Magnético Alpha, más conocido como AMS-02 que está instalado en la Estación Espacial Internacional y que tiene como objetivo tomar medidas de la antimateria de los rayos cósmicos para buscar evidencias de materia oscura.

carnaval de la fisicaEsta entrada participa en la XLVII Edición del Carnaval de la Física, que organiza en esta ocasión el blog Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión que administra Unnuncuadio

Referencias

Arqueros F. Rayos Cósmicos: Las Partículas más Energéticas de la Naturaleza. Revista “A Distancia (UNED), 1994.

http://visitantes.auger.org.ar/index.php/historia/historia-de-los-rayos-cosmicos.html

http://www.biografiasyvidas.com/biografia/h/hess_victor.htm