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domingo, 2 de mayo de 2010

Supercolisiones en su sala de estar

Hace un par de millones de años, nuestros ancestros inauguraron la era de la tecnología golpeando trozos de roca entre sí, empezando el largo ascenso desde la sabana africana hacia nuestro mundo de hoy. Qué poco podían imaginarse los homínidos de la garganta de Olduvai que millones de años más tarde, sus descendientes darían a luz maravillas modernas como el iPad, las comidas preparadas para microondas, o el Viagra.

Podemos decir que hoy en día seguimos haciendo chocar pedazos de roca para entender cómo está hecho el universo. Aunque nuestros mecanismos para provocar los choques sean muchísimo más complicados y sofisticados que los que tenían nuestros antepasados bajo el sol africano. Con ustedes: el Gran Colisionador de Hadrones.

(LHC para los amigos).

Recomiendo echarle un vistazo a estas fotos de la sección The Big Picture del Boston Globe. De hecho, recomiendo marcar la página para visitarla regularmente, porque tiene regularmente colecciones de fotos de gran calidad sobre eventos de la actualidad.

La idea del LHC es relativamente simple. El LHC es básicamente un anillo enorme de unos 27 kilómetros de circunferencia. Átomos de hidrógeno se ionizan para separarlos de sus electrones, y los protones resultantes se aceleran en dos haces que circulan por el anillo en direcciones opuestas. En un punto del anillo, los protones chocan entre sí, y de las colisiones resultan cascadas de partículas que se analizan por ordenador para entender la estructura del universo. El LHC es a día de hoy el colisionador de partículas más poderoso del mundo.



Me voy a abstener de escribir una disertación completa sobre física cuántica. El problema en estos menesteres es que los artículos en la prensa o en las revistas de divulgación dan una impresión completamente equívoca del mundo subatómico - uno tiene la impresión de que las partículas elementales son pelotitas de diferentes colores, cuando hace décadas que se considera a estas partículas como abstracciones matemáticas con diversas propiedades para explicar múltiples fenómenos que chocan frontalmente con la realidad cotidiana y el sentido común.
Y la matemática necesaria para entender este campo esta muy por encima de la formación de este humilde ingeniero.

Pero básicamente, lo que más se adecua a la realidad experimental es el modelo estándar, del cual reproduzco un diagrama aquí abajo:



Este modelo explica de qué se compone el mundo que nos rodea. Hay tres "generaciones" de partículas elementales, y cada una consta de dos quarks, un leptón y un neutrino. Hasta donde se sabe, estas partículas no están a su vez constituidas por partículas más elementales.

Hoy por hoy, no se sabe por qué hay exactamente tres generaciones de materia y por qué cada partícula tiene exactamente las propiedades que tiene. La materia de nuestro entorno cotidiano está formada casi exclusivamente por quarks up y down (formando protones y neutrones) y electrones.
(Si alguien se está preguntando qué es un hadrón, un hadrón es cualquier partícula formada por quarks).

Estas partículas constituyentes interactúan por medio de cuatro fuerzas fundamentales: la electromagnética (transmitida por fotones), la nuclear débil, (responsable de las desintegraciones nucleares y transmitida por los bosones W y Z), la nuclear fuerte (responsable de mantener a los quarks unidos entre sí y transmitida por gluones)... y la gravitación. Esta última no está explicada por el modelo estándar, y aquí es dónde entra el LHC.

El propósito principal del LHC, o al menos el objetivo al que más publicidad se le ha dado, es encontrar el bosón de Higgs, mal llamado "partícula de Dios" por algunos periodistas excesivamente entusiasmados. La esquiva partícula es algo más humilde. Cuando allá por los años ochenta se observaron por primera vez los bosones W y Z, que son responsables de la fuerza nuclear débil, se constató con perplejidad que tenían masa, lo cual produce una serie de efectos peculiares. Los otros bosones conocidos (el fotón y el gluón) no tienen masa. Para explicar la masa de los bosones W y Z, el físico Peter Higgs propuso un mecanismo que requiere un campo de fuerza formado por una partícula aún no descubierta, el bosón que lleva su nombre. Y esta partícula se ha mostrado tímida hasta ahora.
Y ya que hablamos de divulgación científica completamente equívoca, uno puede imaginarse el campo de Higgs como si fuera una especie de melaza a través de la que se mueven los bosones W y Z, siendo frenados por él y comportándose como si tuvieran masa.

Después de una serie de contratiempos y arranques en falso, el pasado 30 de Marzo se consiguió producir y estabilizar haces de protones en el LHC, creando choques con una energía de 7 teraelectronvoltios. Un teraelectronvoltio (TeV) es la energía cinética de un mosquito en vuelo, lo cual no parece mucho... hasta que consideramos que la energía en el LHC está concentrada en un espacio inimaginablemente más pequeño que un mosquito.

(Y ahora llegamos al propósito original de este post).

En medio de las celebraciones, y de la amplia cobertura del evento, descubrí que el LHC ofrece unos paneles, llamados "vistars". A estos vistars se accede con un browser normal y corriente, y ofrecen información en tiempo real sobre el estado de operación del LHC. Lo cual me parece inaudito.


Aparentemente, el propósito de los vistars es dar a todos los físicos involucrados con el LHC y que trabajan en todo el mundo la oportunidad de echar un vistazo de cuando en cuando a la sala de control. La información que ofrecen los paneles es tan esotérica que estoy seguro de que es estrictamente para uso interno y no para divulgación general. De hecho, me recuerdan a los paneles que usamos en mi empresa para los tests de software. En este hilo de la página lhcportal.com hay un poco de información sobre el significado de los paneles.

En un inciso, la página lhcportal.com es una especie de "club de fans" del LHC, y es bastante recomendable. Una vez accedido al sitio, la barra de la izquierda ofrece muchos links a documentos y recursos sobre el LHC. Pero el link que yo encuentro más sorprendente es este. Se trata de una especie de registro del día a día de las operaciones del LHC, incluyendo las presentaciones en Powerpoint de las reuniones diarias del equipo que controla el LHC.

(Es un poco como si estuviera sentado en una sala de reuniones de la NASA escuchando a los ingenieros explicar los problemas cotidianos del transbordador espacial. Como que a Chuck se le ha caído una llave inglesa encima de un ala y ha habido que reponer cinco metros cuadrados de losetas térmicas).

Y lo mejor es que todo esto se puede hacer cómodamente desde casa tomándose una cervecita. Así es que, cuando a uno se le ocurre"¡Vaya! ¿Qué estarán tramando esos pilluelos del LHC?", uno se va a los vistars y lo averigua. Personalmente, a mí me daría algo de cosa que hubiera una página de web accesible para todo el mundo donde se explicara pormenorizadamente lo que estoy haciendo cada día.

Para concluir, diré que al menos un físico le quitó importancia al bosón de Higgs, declarando que, más que "partícula de Dios" debería llamársele "partícula de la botella de cava"... por la cantidad de botellas de espumoso que se abrirán el día que lo encuentren.

Y más de un físico opina que sería más interesante que no se encontrara... porque en ese caso, habría un montón de teorías establecidas que habría que replantearse. Lo cual les encanta a muchos científicos y les vendría bastante bien...

sábado, 6 de junio de 2009

Hidrógeno Alfa: El Regreso

Esto es lo que pasa cuando se tiene un lector que es Doctor Ingeniero especializado en comunicaciones ópticas:

Oye, que el filtro infrarrojo (longitud de onda > rojo) filtre el rojo es un poco raro

El comentario de Chetoo está justificado, y voy a explicar el asunto del filtro de corte infrarrojo con un poco más de detalle.

En primer lugar, el sensor de las Canon EOS digitales no es CCD como yo había escrito, es CMOS, pero dado que ambos tipos de sensores están basados en un substrato de silicio que se excita por el efecto fotoeléctrico, ambos tienen una sensibilidad bastante buena al infrarrojo:


Cada pixel de un sensor CMOS consiste en un fotodiodo que reacciona a la luz incidente, con circuitería adyacente para realizar las funciones de reset, amplificación, lectura y descarga de la célula. Delante de la matriz de pixels hay una capa de polímero tintado de colores para diferenciar los canales rojo, azul y verde. Un patrón típico para esta capa es por ejemplo el filtro de Bayer:



El filtro de Bayer hace que los píxeles azules sólo reciban luz en la banda azul, los verdes en la banda del verde, y los rojos en la banda del rojo. También se puede ver que por cada cuatro píxeles, hay dos verdes, uno azul y uno rojo.

(Una explicación bastante extensa sobre los sensores CMOS se puede en http://www.fen-net.de/walter.preiss/e/slomoinf.html. De esa página he sacado algunos de los gráficos que estoy utilizando).

Ahora bien, esta es la sensibilidad en frecuencia del ojo humano:

Un detalle: la línea de 656 nanometros cae en la parte más lejana del espectro rojo, y está muy atenuada en comparación con la longitud de onda de mayor sensibilidad del ojo, alrededor de los 530 nanometros (verde).

En comparación, esta es la sensibilidad en frecuencia del sensor CMOS de una Canon EOS 350D:

En el gráfico están representadas por separado las sensibilidades de los píxeles azules, verdes y rojos. Como se puede observar, el sensor tiene todavía una sensibilidad buena en la banda de infrarrojo. No sólo eso, sino que además, hay picos de sensibilidad infrarroja en los píxeles azules y verdes. Esto es debido a que el filtro de Bayer que he mencionado más arriba es transparente al infrarrojo, así es que la luz infrarroja que el sensor es capaz de recibir se cuela en los píxeles azules y verdes, y es representada en las fotografías.

Como uno se puede imaginar, esto desmonta por completo el equilibrio de color en las imágenes, produciendo un viraje al magenta. El problema de la contaminación infrarroja de fotografías en color está explicado con más detalle aquí.

Como ejemplo, aquí hay una foto hecha con una cámara sin modificar:


Y aquí la misma foto quitando el filtro infrarrojo:


Esta es la sensibilidad en frecuencia de la misma Canon EOS 350D con el filtro infrarrojo aplicado:

A modo de conclusión: hay que añadirle un filtro de corte infrarrojo al sensor de la cámara para que tenga la misma sensibilidad en frecuencia que el ojo humano.

Volviendo al tema de la línea alfa del hidrógeno, se puede ver que los 656 nanometros caen en una zona del espectro de luz visible en la que el ojo humano no tiene mucha sensibilidad. Muchos objetos astronómicos emiten luz en esta longitud de onda que el filtro infrarrojo de la cámara va a atenuar, de forma que el objeto no sólo se verá más apagado, sino que además se verá con menos detalle. Cambiando el filtro infrarrojo de fábrica por uno adaptado para usos astronómicos se recupera esta longitud de onda.

En un inciso, añadiré que la mayoría de las fotografías astronómicas no son de los objetos tal y como se verían a simple vista, sino con colores falsos. Para propósitos científicos, la mayoría de las fotografías astronómicas son en blanco y negro, con filtros sensibles a determinadas bandas de interés (por ejemplo, la banda de emisión del oxígeno, o del azufre).
Para consumo público, se le asigna un color a cada una de las bandas, y las diferentes tomas se combinan para crear fotografías como esta.

He encontrado varias páginas describiendo el proceso para cambiar uno mismo el filtro infrarrojo de la cámara (y de esas páginas he sacado varios de los gráficos que he empleado en este post):

http://www.astrosurf.com/~buil/350d/350d.htm

http://ghonis2.ho8.com/rebelmodnew.html

Yo no me atrevería a manipular mi cámara, pero si alguno tiene interés...