Raigs còsmics: la pluja de neutrins

“A curt termini no tinc proposat aturar-me. Vull entendre l’Univers i respondre les grans preguntes. Això és el que em fa seguir endavant”.

Stephen W. Hawking

Estimat/ada lector/a, mentre llegeixes aquestes paraules, milions de partícules estan creuen els teus ulls, les mans amb les que sostens aquesta revista, el teu cos. Aquestes partícules venen de les galàxies més llunyanes, de la nit dels temps. Són els raigs còsmics.

Quan acabis de llegir aquesta frase, el nostre Sol haurà emès més neutrins (una partícula elemental) que la suma de tots els grans de sorra de totes les platges i deserts del nostre petit planeta. Mentre segueixis llegint, aquesta quantitat superarà el nombre d’àtoms que composen tots els organismes humans vius del moment (i dels que ara mateix estan veient la llum!!).

Has de saber que, als teus ulls, no només entren els fotons (les partícules que formen la llum) que et permeten llegir aquestes línies. Una increïble pluja de partícules els travessa i, també, a la resta del teu organisme i a tot el planeta Terra.

Aquesta constant pluja microscòpica esta formada per una gran varietat de partícules (un zoològic de partícules, millor dit!!) de noms tant exòtics com ara neutrins, muons, pions, etc.

No obstant això, dins d’aquest ampli i “particular” (perdó per el joc de paraules) ventall, les partícules més importants i significatives per a l’estudi científic són els neutrins.

Aquestes estranyes i “fantasmagòriques” partícules han portat de cap als físics de partícules des de que es va intuir la seva existència a principis del segle XX de la mà del físic Wolfang Pauli (foren Frederick Reines –premi Nobel de física l’any 1995 –i el seu col·lega Clyde Cowan els qui varen observar aquestes estranyes partícules), el seu origen encara ens és parcialment desconegut, són guardianes dels grans secrets de l’origen del nostre Univers i de la situació actual d’aquest.

D’on venen aquestes curioses partícules sense càrrega? 

Doncs provenen de l’interior de les estrelles, són producte de les reaccions que es donen a l’interior d’aquestes, com també succeeix amb la reacció d’anihilació d’un electró amb la seva antipartícula, el positró (el contacte/anihilació d’un electró i un positró produeix dos fotons), d’aquí prové una de les explicacions sobre la llum que generen les estrelles.

Aquestes partícules viatgen des de les profunditats de l’espai fins a nosaltres, sent portadors i testimonis dels successos més violents de l’univers, com ara la mort d’una estrella.

Capturar aquestes partícules “trapelles” pot ajudar a revelar-nos els majors secrets de l’Univers, és per això que als físics els hi resulten tan interessants.

En general, els neutrins no interactuen amb gairebé res (tenen una massa molt petita – es necessiten aproximadament uns 100.000 neutrins per a igualar la massa d’un electró –i no tenen càrrega elèctrica, fet que fa que sigui impossible detectar-los amb aparells i instruments convencionals sensibles al camp electromagnètic). Creuen impertorbables les grans distàncies de l’Univers com si no hi hagués matèria en tot aquest tram, i arriben a la Terra, on prossegueixen amb el seu ancestral viatge.

 

La part positiva de tot això és que, tot i que estem contínuament submergits en un “mar” de neutrins, són totalment innocus, amb prou feines interactuen amb el nostre cos.

Ara bé, només ens arriben neutrins a la Terra? No! Tal i com ja he dit abans, hi ha un ventall immens de partícules “plovent” sobre els nostres caps. El 98% de les partícules que arriben a l’atmosfera terrestre, la travessen, creuen l’escorça terrestre i prossegueixen el seu viatge còsmic, són protons i partícules alfa (àtoms d’Heli) d’alta energia.

Partícules primàries

Al conjunt de protons i de partícules alfa, se’l coneix amb el nom de “partícules primàries”. 

Aquestes partícules primàries, al arribar a la nostra atmosfera, interaccionen amb ella i amb el camp magnètic de la Terra.

Aquesta interacció produeix les anomenades “partícules secundàries”, les quals, a diferencia dels seus germans (els neutrins), podem observar.

A nivell del mar s’observa (en xifres aproximades): un 72% de muons, un 15% de fotons i un 9% de neutrons (que no són pas com els neutrins anteriorment esmentats).

Què ens diuen?

L’observació de totes aquestes partícules ens ajuda a entendre i comprendre la constitució bàsica de l’Univers a un nivell, diguem-ne, més “íntim”.

La investigació en cosmologia i en física de partícules ens aporta una quantitat de coneixement sorprenent sobre el nostre Univers i, alhora, ens suposa l’obertura a més i més noves incògnites en la comprensió de la fuga còsmica.

Malauradament, tot i que se n’estiguin produint de nous contínuament, molts neutrins són antiquíssims (alguns estaven a primera fila observant els esdeveniments del Big Bang!!) i resulta una autèntica llàstima no ésser capaços d’estudiar-los com és degut, ja que ens aportarien una informació d’incalculable valor per al coneixement humà sobre l’Univers; òbviament, tal i com va dir el físic Stuart Clark: “Alguns astrònoms fingeixen tenir totes les respostes, però no les tenim, i el públic aprecia la nostra honestedat. A la ciència li queden moltes coses per a descobrir i un gran camí a recórrer”.

Tal i com va dir Albert Einstein: “Aquestes observacions i noves teories em semblen molt interessants i prometedores. Tot i així em temo que no responen a la més antiga”. A la humanitat ens queda un llarg camí per recórrer en la nostre comprensió d’un indret tant immens com és el nostre Cosmos.

Per saber – ne més:

• Article del número 101 (Juny de 2011) de Ciència i Societat de la revista: l’Ametlla d’Arenys. Autor: Tony Marzoa Domínguez.

• Articles de la web Materia:

http://esmateria.com/?s=neutrinos&submit.x=0&submit.y=0

Les pitjors pífies del Cinema (des del punt de vista de la Física).

Stanley Kubrick, per a fer la seva famosa pel·lícula 2001: Una Odissea a l’Espai va buscar assessorament científic. Un clar exemple d’aquest fet el podem trobar en que les explosions a l’espai exterior no sonen (ja que el so és una ona mecànica que necessita un medi material, com l’aire, per transmetre’s i a l’espai exterior tenim el buit).

Malauradament, en la història del cinema, predominen els directors que no han tingut en compte les Lleis de la Física. Vegem les pitjors (i més habituals) pífies científiques del món del cinema:

Explosions a l’espai

A les pel·lícules de ciència ficció es dispara sense parar i se senten explosions contínuament (com passa amb Star Wars i Star Trek entre d’altres). Però en realitat l’espai és buit i no se senten sorolls (ni cap mena de so). A diferència de la llum, el so necessita un medi de transport.

Tampoc el sacseig d’una nau espacial quan explota un planeta proper (com el cas d’Alderaan a Star Wars) són reals, ja que les ones de xoc també necessiten d’un medi per a propagar – se.

Uaaatlaaa! Raigs làser!

Quan es lliuren batalles futurístiques, els guerrers fan servir armes làser. O quan els lladres professionals volen atracar un banc, hi ha un sofisticat sistema de seguretat làser.

Aquests raigs làser no s’haurien de veure a la pantalla, ja que la única manera de veure’ls és quan aquests xoquen amb partícules de pols, com ara fum.

La superbala

A la majoria de pel·lícules d’acció, quan un personatge rep un dispar sol sortir volant pels aires (es cau d’un balcó, surt disparat per un passadís o trenca un aparador). No obstant, això contradiu la Tercera Llei de Newton o Principi d’acció – reacció: amb tota acció succeeix una reacció igual i contraria. L’impacte de la bala que rep la víctima no és més fort que el retorcés que experimenta l’individu que dispara l’arma, i mai he vist a James Bond caure de cul a terra o sortir volant pels aires desprès d’abatre a un enemic.

PLOP! I Joe cau al terra

Els dispars amb una arma de foc fan molt de soroll, això es deu a que en un dispar hi intervenen tres fonts diferents de so: la ignició de la càrrega explosiva (bala), l’aire comprimit que surt del canó de l’arma i la detonació del projectil quan trenca la barrera del so.

Per evitar fer soroll i alertar als enemics, a les pel·lícules, l’individu que dispara sol fer servir un silenciador que amorteix el so. Ara bé, els silenciadors només poden amortir el soroll que fa l’aire comprimit que surt del canó de l’arma, i el causat per les altres dues fonts de soroll.

La finalitat del l’amortidor no és la d’ocultar el crim, sinó la de protegir les orelles de l’assassí!

Cotxes que exploten

En qualsevol pel·lícula d’acció sempre apareix una persecució de cotxes per mig d’una carretera amb moltes corbes. Un clàssic és que el cotxe dels dolents (o un dels seus cotxes) surti de la carretera i caigui per una terrorífica pendent: el cotxe s’inflama i explota formant una bola de foc amb olor a gàngster socarrimat. En realitat, és molt poc probable que s’inflami, i a més un cotxe en flames no explota!!

Cigarrets i benzina

Seguint amb el tòpic de persecucions de cotxes podem trobar un altre “accident” clàssic: el cotxe perd benzina i algú deixa caure un cigarret encès provocant una terrible explosió. Aquesta és més una qüestió de Química que de Física però, en realitat, és molt difícil encendre una bassa de benzina, i encara menys amb la brasa d’un cigarret.

Adéu, Home de Neandertal!

“Aquests primers europeus varen ser persones com Tu i Jo. És commovedor veure els desafiaments als que es van enfrontar. Persones com Tu i Jo van vèncer als Neandertals. Persones com Tu i Jo van sobreviure a l’Edat de Gel!"

Alice Roberts, paleontòloga i antropòloga  

L’home de Neandertal presenta un dels misteris més fascinants de la prehistòria: ningú sospitava de la seva existència fins que, al 1856, van sortir a la llum les restes d’una criatura humana que no tenia cap semblança amb els homínids prehistòrics.

La primera deducció va ser que es tractava de l’eslavó perdut entre l’Homo Erectus i l’Homo Sapiens, però molt aviat van començar els dubtes: el seu crani era massa diferent al de l’home modern, la part posterior d’aquest acabava amb una característica protuberància occipital.

Durant molt de temps es va creure que les restes pertanyien a una criatura més propera a l’animal que a l’ésser humà, però amb el temps i la recerca es va concloure que es tractaven de les restes d’un homínid.

L’home de Neandertal va ser el primer en conquerir les coves i cavernes, les quals es va convertir en la primera “llar” per als éssers humans prehistòrics. A moltes localitats d’Europa i Àsia, els investigadors, han descobert restes de la vida quotidiana del Neandertal: fogueres amb pedres disposades en cercle, ossos trossejats, fragments de sílex, etc.

Resultat evident, doncs, que l’Home de Neandertal va conquerir les coves.

Però, fa 35.000 anys, uns altres homínids van arribar a Europa, segurament procedents d’Àfrica, passant per Orient Pròxim. Els nouvinguts tenien el front alt, el mentó ben definit, els pòmuls pronunciats i els arcs superficials no massa sortits. En definitiva: es tractava d’un tipus d’humans molt semblants a l’home modern.

Els antropòlegs anomenen a aquest tipus d’home Homo Sapiens Sapiens.

Aquest va ser el punt on va començar la proliferació de l’Homo Sapiens Sapiens i l’home de Neandertal es va anar extingint lentament. No es coneixen les causes d’aquesta desaparició, però en algun moment concret de la història, les petjades de l’home de Neandertal desapareixen.

Segons alguns especialistes la extinció va ser causada per malalties introduïdes per els nouvinguts. D’altres, en canvi, creuen que el Sapiens Sapiens va desplaçar per la força al Neandertal. Alguns altres, en canvi, consideren que el Sapiens Sapiens tenia una tècnica més avançada i, per tant, va aconseguir adaptar – se millor al medi ambient.

Experts consideren que l’últim refugi de l’Home de Neandertal va ser a les 140 coves del Peñón de Gibraltar. Àfrica es trobava allà a poca distància per vía marítima. Per què el neandertalensis no va cercar una nova terra? Segons aquests experts, li faltava l’estímul de la curiositat, molt característic del Sapiens Sapiens. L’home de Neandertal es contentaba amb el present, pensava molt poc en el futur i, potser, així va perdre la batalla front a l’emprenedor humà modern.

L’home de Neandertal recorre tota Europa durant gairebé 100.000 anys, viatja a Pròxim Orient i desapareix sense deixar cap mena de rastre. Queden molts interrogants sense resposta.

Per saber – ne més:

• Blog sobre l’Home de Neandertal : http://neanderthalis.blogspot.com.es/2006/03/cmo-eran-los-neandertales.html

Caçant mosques sense moure's

“L’amor per totes les criatures vivents és el més noble atribut de l’home.”

Charles Darwin, autor de "L'Origen de les espècies"

La Venus atrapamosques (Dionaea muscipula) és una planta carnívora de la família de les Droseraceae, originaria de les costes de Carolina del Sud, que atrapa preses vives, principalment insectes i aràcnids. 

La manera que té de “caçar” és un impressionant giny biològic: una fulla dividida en dos lòbuls vermellosos (degut a la presencia d’antocianina) plens de mucílag (una substància vegetal viscosa semblant a l’alcohol) que contenen tres pèls sensitius cadascun; quan un insecte toca un dels pèls s’activa un mecanisme contrarellotge: si en 20 segons l’insecte toca un dels altres 5 pèls s’activa el mecanisme de captura i els dos lòbuls s’acosten un a l’altra fins a tancar la trampa.

Aquesta condició de doble contacte és un mecanisme natural d’estalvi d’energia en cas de que l’objecte capturat fos pols o algun objecte sense cap valor nutritiu.

Les plantes carnívores de la família de les Droseraceae han evolucionat per a ser caçadors a causa d’una necessitat evolutiva: completar una pobre nutrició en minerals.

En general, les plantes es caracteritzen per ser capaces de generar el seu propi aliment a partir del mecanisme de la fotosíntesi, agafant energia solar i absorbint aigua i substàncies minerals del sòl.

En el cas de les Droseraceae el sòl del seu habitat natural és molt pobre ja que es tracta d’un medi àcid (amb un pH de 5 o 6).

La adaptació evolutiva es troba completament definida: la manca de nutrients al subsòl la va empenyer a desenvolupar un nou mecanisme d’alimentació.

Per saber – ne més:

• Vídeo: http://video.tudiscovery.com/services/player/bcpid8630981001?bctid=72555020001

• Sobre el cultiu de la Venus Atrapamosques: http://www.plantascarnivorasmospitensis.com/dionaea.htm

Per què s'enlaira un avió?

Quan un objecte es desplaça per un fluid s’obre camí a través d’aquest i fa que el fluid es desplaci al seu voltant.

Una ala d’un avió en l’aire es desplaça a través de l’aire (el qual és un fluid) obrint – se camí a través d’aquest. L’aire es desplaça per sobre i per sota de l’ala. La forma de l’ala afavoreix que l‘aire desplaçat per amunt vagi a major velocitat que el desplaçat cap avall.

En aquest punt intervé el fenomen físic conegut amb el nom d’Efecte Venturi: quan l’aire va a major velocitat disminueix la pressió que aquest exerceix i quan es desplaça a menor velocitat la pressió augmenta. Com que la pressió es defineix com la força per unitat de superfície, es conclou que si augmenta la pressió, augmenta la força, i si disminueix la pressió també ho farà la força.

Per tant, retornant a l’ala d’un avió, l’aire que passa per sota l’ala exerceix una força ascendent superior a la força descendent que exerceix l’aire que passa per sobre de l’ala. Com més gran sigui la superfície de l’ala, major serà la força d’empenta (ascendent) de l’aire que circula per sota de l’ala (per això les ales dels avions són tan grans).

Ara bé, l’efecte Venturi no és suficient per a explicar la sustentació aèria. Tal i com s’ha dit abans, és la forma de l’ala la responsable de que l’aire circuli a major velocitat per la part superior de l’ala i a menor per la part inferior. El Principi de Bernouilli és el que regeix aquest fet; segons aquest principi físic l’aire adquireix major velocitat al passar per la regió convexa de l’ala d’un avió.

Per tant, és la forma de l’ala la que fa que l’avió s’enlairi.

Per saber - ne més:

• Llibre: 100 preguntes de Física. Autor: Jordi Mazon Bueso. Editorial: Cossetània.

El Bosó de Higgs

“Suposa que les coses petites es comporten de manera molt diferent que les coses grans. Res és com ho veiem! És tan meravellosament diferent d'allò gran!”

Richard P. Feynman, Premi Nobel de Física 1965

L’any 1964 el físic Peter Higgs va postular la existència d’un camp d’energia que avarques tot l’Univers per a poder completar el Model Estàndard de la Física de Partícules. Aquest camp d’energia es coneix amb el nom de camp de Higgs.

La raó de la formulació d’aquesta idea va ser  intentar explicar perquè les partícules subatòmiques tenen massa i aquesta pren valors diferents. El camp de Higgs seria l’encarregat d’interactuar amb les partícules subatòmiques i de donar – lis massa.

Seguint aquesta hipòtesi teòrica, les partícules molt massives interactuarien molt amb el camp de Higgs, mentre que les que tenen massa nul·la no hi interactuarien pas.

Per acabar d’entendre aquest concepte imaginem – nos que el camp de Higgs és l’aigua d’una piscina olímpica, aquesta piscina és l’Univers i tenim a dues partícules a dins del camp de Higgs: David Meca (campió mundial de natació) i Asashoryu (ex campió de sumo).

Meca representa una partícula molt poc massiva, per tant interactua poc amb el camp de Higgs (aigua) i es desplaça amb gran facilitat a través de l’espai de l’Univers. D’altra banda, Asashoryu és una partícula molt massiva i, per tant, interactua molt amb l’aigua, cosa que fa que es desplaci amb major dificultat a través del medi.

Deixant de banda el món dels esports, en el món de les partícules subatòmiques, la partícula menys massiva és l’electró, mentre que la més massiva és el quark top (amb una massa aproximadament igual a la massa d’un àtom d’or).

Cal tenir en compte que els físics creuen que el quark top no és més massiu que l’electró perquè el primer sigui més gran, sinó que ambdós tenen la mateixa mida, que és zero. El quark top té més massa que l’electró perquè interactua més amb el camp de Higgs. En realitat, si el camp de Higgs no existís (segons la teoria) cap partícula tindria massa.

Ara bé, quan es parla de el Higgs no ens referim al camp de Higgs ni al pare d’aquesta teoria, sinó a el Bosó de Higgs.

Per a entendre que és el Bosó de Higgs, tornem a  l’exemple de l’aigua. Tothom sap que l’aigua està formada per molècules d’H₂O, doncs el Bosó de Higgs és al camp de Higgs el mateix que les molècules d’H₂O a l’aigua: el camp de Higgs (si existís) estaria format per multitud d’incontables bosons de Higgs.

Llavors, què li passa a una partícula quan entra en el camp de Higgs?

Per a respondre a aquesta pregunta hem de crear una analogia de la massa amb la fama: suposem que hi ha una festa en un bar replet de gent. Cada persona és un Bosó de Higgs i, de sobte, entra Leo Messi per la porta del bar; el resultat: totes les persones aniran cap a ell ja que Messi és molt famós i li costarà molt desplaçar – se a través del bar per arribar a la barra a demanar un gintònic, és a dir, es tracta d’una partícula molt massiva!!

Per saber - ne més:

• Llibre: La Porta dels Tres Panys. Autora: Sonia Fernández - Vidal

• Episodi de Redes sobre la Física de Partícules i el Bosó de Higgs: 

      http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=OtBqyehjcNs&NR=1

Al límit: la derivada

“Penso que la imaginació de la Natura és moltíssim més gran que la de l’home... Ella mai deixarà que ens relaxem.”

Richard P. Feynman (Premi Nobel de Física 1965)

La derivada és una de les creus matemàtiques de molts estudiants de Batxillerat, es tracta d’un concepte importantíssim en matemàtica superior que obra la porta al fascinant món del càlcul infinitesimal d’especial interès per als conceptes que es desenvolupen durant els dos cursos de preparació a l’accés universitari al Batxillerat Científic i a la posterior formació Científica i tècnica.

La derivada és útil per a definir conceptes matemàtics aplicables a la vida real com ara el concepte d’integral (molt útil en Física i en Enginyeria per al càlcul de superfícies, volums i magnituds físiques) i el procés d’optimització (el qual, a partir de derivades, es tracta en trobar màxims i mínims, increïblement útil per a trobar el màxim rendiment amb el mínim cost en la elaboració de productes d’empresa), els quals són presents, tot i que no ho vegem a simple vista, en la majoria dels processos i fenòmens de la vida quotidiana.

Formalment, la derivada d’una funció, pot definir – se com la velocitat de canvi del valor d’una funció depenent de la variable independent (la variable independent és un factor numèric al qual podem canviar – li el valor i, per tant, el de la funció estudiada). La idea intuïtiva ve a ser la següent:

Si una funció representa la posició d’un cotxe en una carretera de corbes en un interval de temps, la derivada d’aquesta funció serà la velocitat del cotxe en cada instant de temps.

Aquest concepte matemàtic no és només aplicable al cas de l’estudi de la velocitat del cotxe (el qual es tracta de l’estudi d’un sistema físic) sinó que podem aplicar – lo en qualsevol camp on sigui necessari mesurar la rapidesa de canvi d’alguna magnitud concreta, des de la Biologia a la Economia, la derivada ha demostrat tenir aplicacions pràctiques increibles.

Per saber – ne més:

• Llibre: Matemàtiques 2, Batxillerat; Ed. McGrawHill, sèrie Fluvià. Autors: Àngela Jané, Jordi Besora i Josep M. Guiteras.
• Llibre: CALCULUS I; Ed. Reverté. Autor: Tom M. Apostol