Frisbees moleculares podrían potenciar la proliferación nuclear

Una nueva técnica para controlar las trayectorias de moléculas giratorias podría tener importantes implicaciones internacionales.

Cualquiera que haya jugado con un frisbee tendrá una idea intuitiva de cómo el ángulo al que tiras el disco determina el amino que siguen.

A medida que los frisbees son más pequeños, sin embargo, la física se modifica. En una escala diminuta, el aire es más denso, como la miel, y la inercia juega un papel mucho más pequeño. Por lo tanto, es fácil pensar que hay un tamaño mínimo al que puedes construir un frisbee.

Ref: Technology Review

No es así, dice Johannes Floss  y sus compañeros del Instituto Weizmann de Israel. Es, de hecho, bastante simple controlar la trayectoria de una molécula que gira de forma similar a un frisbee.

En los últimos años, una gran cantidad de técnicas se han desarrollado para alinear de forma precisa las moléculas dentro de un gas giratorio, como una matriz tridimensional de tableros. Estas técnicas mueven las moléculas con un láser muy preciso que las hacer girar de la forma correcta.

¿Pero cómo convertir un tablero giratorio en un frisbee? Después de todo, el movimiento de los frisbees es esencialmente el resultado de la interacción entre el cuerpo giratorio y el aire, pero la aerodinámica no influye a nivel molecular.

La respuesta, según Floss y sus compañeros, pasa por disparar las moléculas a través de un campo eléctrico producido por otro láser. Dado que el campo tiene un gradiente de intensidad, jugará el mismo papel que el aire en el frisbee. Cuando esto ocurre, la inclinación de las moléculas giratorias deteminará la trayectoria que tomen.

Como Floss apunta: “Una técnica similar la utilizan los jugadores de Frisbee ajustando la inclinación del disco para dirigirlo al objetivo”.

La técnica del frisbee da un gran control sobre el camino que las moléculas toman. La trayectoria depende de factores como la fuerza del campo, la inclinaciónd e la rotación y la masa de la molécula.

Esto tiene importantes consecuencias en un gran número de nuevas técnicas, sobre todo en áreas en las que la ionización no puede utilizarse. Por ejemplo, la nanofabricación de moléculas en las que estructuras diminutas se construyen casi “ladrillo a ladrillo” deben utilizar moléculas neutras porque la acumulación de carga podría distorsionar la forma o incluso destruir la construcción por completo.

Pero quizá la aplicación más relevante, al menos a corto plazo, sea la de la separación isotópica. Dado que la trayectoria depende de la masa de la molécula, la técnica separaría de forma natural las moléculas con isótopos diferentes.

Los científicos nucleares seguro que quieren investigar el potencial de esta técnica para separar el uranio 235, más fisionable, del uranio 238. En los últimos años, los físicos han hecho grandes avances para separar estos isótopos utilizando lasers que ionizan de forma selectiva un isótopo dejando el otro neutro, lo que les permite separarlos con un campo magnético.

Las técnicas de separación convencional se basan en centrifugadoras gigantes que son difíciles y caras de construir y que, por tanto, forman una barrera tecnológica grande que previene que algunos países con aspiraciones nucleares puedan crear su propio uranio enriquecido.

Pero hay un miedo cada vez mayor a que el enriquecimeinto por láser haga este proceso mucho más fácil. Y ahora hay una nueva técnica que lo haría aun más fácil.

Es fácil predecir que los frisbees moleculares serán el centro del interés los próximos años. Pero cuánto oíremos de futuros desarrollos es difícil de precisar.

Ref: arxiv.org/abs/1010.0887: Molecular Frisbee: Motion of Spinning Molecules in Inhomogeneous Fields

Este artículo ha sido traducido de Technology Review y publicado bajo licencia CC by-sa

 

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Según un nuevo estudio, las leyes de la física podrían variar a lo largo del Universo

El artículo no ha sido aceptado para su publicación aún pero puede consultarse en Arxiv. Aun así, lo he considerado interesante. Puedes leer comentarios sobre él en reddit. También puedes leer opiniones de otros científicos en Science News.

 

Un equipo de astrofísicos con base en Australia e Inglaterra ha descubierto indicios de que las leyes de la física son diferentes en otras partes del Universo.

El equipo -de la Universidad de Nueva Gales del Sur, la Universidad de Swinburne y la Universidad de Cambridge- ha enviado un artículo sobre el descubrimiento para ser publicado en Physical Review Letters. Una versión preliminar está siendo aun revisada por pares.

El informe describe cómo una de las constantes supuestamente universales de la naturaleza parece no ser tan constante. En vez de eso, este “número mágico” conocido como la constante de estructura fina (α), parece variar a lo largo del Universo.

Ilustración de la variación de la constante. UNSW.

“Tras medir alfa en unas 300 galaxias lejanas, vimos un patrón constante: este número, que nos dice la fuerza del electromagnetismo, no es igual en otras partes que en la Tierra, y parecer variar de forma continua a lo largo de un eje”, comentó John Webb de la Universidad de Nueva Gales del Sur.

“Las implicaciones de nuestra comprensión actual de la ciencia son profundas. Si las leyes de la física resultan ser meramente “locales”, podría ser que mientras nuestra parte observable del Universo favorece la existencia de la vida y de los seres humanos, otra parte alejada podría tener leyes que la impidan, al menos tal y como nosotros la conocemos”.

“Si nuestros resultados son correctos, claramente necesitaríamos nuevas teorías físicas que las describan de forma satisfactoria”. Las conclusiones de los investigadores están basadas en nuevas mediciones tomadas con el VLT (Very Large Telescope) de Chile, junto con mediciones previas de telescopios ópticos mayores, los Keck en Hawaii.

Julian King de la Universidad de Nueva Gales del Sur, explicó cómo, tras combinar dos conjuntos de medidas, los nuevos resultados les “impresionaron”. Los telescopios hawaianos y el VLT están en diferentes hemisferios -observan diferentes direcciones del universo. Mirando al norte con Keck vemos, en media, un alfa más pequeño en galaxias distantes, pero cuando miramos al sur con el VLT vemos un alfa mayor”.

“Varia una cantidad muy pequeña -una parte de 100.000- en la mayoría del universo observable, pero es posible que variaciones mucho más largas puedan ocurrir más allá de nuestro universo observable”, comentó King.

El descubrimiento forzará a los científicos a pensar de nuevo si comprenden bien las leyes de la naturalize. “La constante de estructura fina y otras constantes, son centrales a nuestras actuales teorías de la física. Si realmente varian, necesitaremos una teoría mejor, más profunda”, explicó Michael Murphy de Swinburne.

“Dado que una ‘constante’ variable cambiaría por completo nuestra comprensión del universo se necesitarían pruebas extraordinarias. Lo que hemos encontrado es extraordinario, eso está claro”.

“Es una de las preguntas más grandes de la ciencia moderna: ¿han sido las leyes de la física siempre iguales en todo el universo? Estamos destinados a responder esta pregunta de un modo u otro.

Este artículo ha sido traducido de Science Daily y publicado bajo licencia CC by-sa

Los lasers pueden convertir las partículas virtuales en reales

La próxima generación de lasers tendrá la capacidad de crear materia al capturar ‘partículas fantasma’ que, según la mecánica cuántica, parecen llenar el espacio vacío.

El principio de incertidumbre de la mecánica cuántica dice que el espacio nunca puede estar completamente vacío. En realidad, hay fluctuaciones aleatorias que dan lugar a un conjunto de partículos como electrones y positrones, su homólogo en la antimateria.

Laser

Laser. Wikipedia.

Las llamadas ‘partículas virtuales’ suelen anularse la una a la otra demasiado rápido como para poder verlas. Sin embargo, ya en los años 30 los físicos predijeron que un fuerte campo eléctrico transformaría las partículas virtuales en partículas reales que podemos observar. El campo las empuja en direcciones opuestas porque tienen cargas eléctricas opuestas, separándolas tanto que no se pueden destruir entre ellas.

Los lasers están capacitados idealmente para esta tarea porque su luz abarca todos los campos eléctricos fuertes. En 1997, los físicos del Linear Accelerator Center de California utilizaron luz láser para crear unos pocos pares electrón-positrón. Ahora, nuevos cálculos sugieren que la próxima generación de lasers podrá crear estas parejas por millones.

Reacción en cadena

En el experimento de SLAC, sólo se creaba un par electrón-positrón de cada vez, pero con lasers más potentes es probable que se dé una reacción en cadena.

La primera pareja se acelera a alta velocidad gracias al láser, provocando la emisión de luz. Esta luz, combinada con la del láser, acelera más pares, comentó Alexander Fedotov del National Research Nuclear University de Moscú, quien, junto con sus compañeros, publicará un estudio sobre el tema en Physical Review Letters.

“Un gran número de partículas aparecerán en el vacío”, comentó John Kirk del Instituto Max Planck de Alemanica, quien no tomó parte en el estudio.

En lasers que pueden concentrar unos 1026 watios/cm2, esta reacción podría convertir la luz del láser de forma efectiva en millones de pares electrón-positrón, según los cálculos que realizó el equipo.

Fábrica de antimateria

Este tipo de intensidad podría ser alcanzada con un láser que se construirá en el Extreme Light Infrastructure project en Europa. La primera versión del laser podría realizarse en 2015, pero se tardaría unos pocos años más en completar las mejoras que hagan llegar a 1026 watios/cm2, según el co-autor del estudio Georg Korn del instituto Max Planck.

Pero Pisin Chen de la Universidad de Taiwan dice que el coste de este potente láser podría hacer que este método sea más caro que su alternativa. La forma estándar de producción de positrones hoy en día consiste en bombardear con haces de electrones de alta energía una pieza de metal para producir pares electrón-positrón.

Este artículo ha sido traducido de New Scientist y publicado bajo licencia CC by-sa

Nuevas pruebas apuntan a que la materia y la antimateria se comporten de forma diferente

Un sorprendente descubrimiento sobre los neutrinos podría obligar a los científicos a replantearse las bases de la física de partículas.

Los neutrinos, partículas elementales generadas por reacciones nucleares en el sol, sufren de una crisis de identidad a cruzar el universo, pasando por tres “sabores” diferentes. Sus homólogos de la antimateria (que son idénticos en masa pero opuestos en carga y espín) hacen lo mismo.

Un equipo de físicos entre los que se encontraban varios científicos del MIT ha descubierto sorprendentes diferencias entre el comportamiento al cambiar de sabor de los neutrinos con respecto a los antineutrinos. Si se confirma, el descubrimiento podría explicar por qué la materia, y no la antimateria, domina el universo.

Un gráfico de los neutrinos realizado por MiniBooNE. Crédito: Fermilab.

“La gente está muy emocionada con esto porque sugiere que hay diferencias entre los neutrinos y los antineutrinos”, comentó Georgia Karagiorgi, estudiante del MIT y una de las líderes del análisis de datos experimentales que se produjeron en el Booster Neutrino Experiment (MiniBoonE) en el acelerador del Laboratoro Nacional Fermi. Leer más de esta entrada

Superconductores podrían ser posibles a temperaturas más altas gracias a los fractales

Un nuevo experimento que utiliza haces de rayos X ha descubierto un patrón sorprendente en un superconductor, un material que conduce la electricidad sin disipar energía. En un tipo particular de superconductor, los átomos de oxígeno se organizan físicamente como un fractal, mostrando el mismo patrón a pequeñas y a grandes escalas.

Los fractales están presentes en lugares tan diferentes como el brécol, la costa inglesa y los mercados financieros. Aquí el patrón fractal dispara el rendimiento del superconductor, según publicaron científicos italianos en el número del 12 de agosto de Nature.

estructura fractal

Estructura Fractal del oxígeno: Nicola Poccia

El nuevo estudio es “física experimental en su máximo exponente”, comentó Jan Zaanen de la Universidad de Leiden en Holanda, quien escribió sobre el artículo en la revista. “Una nueva máquina aparece y nos da una sorpresa que nadie espera”. Leer más de esta entrada

Replanteándose a Einstein: El fin del espacio-tiempo

Los físicos que buscan reconciliar la teoría gravitatoria con la mecánica cuántica han encontrado una teoría que podría simplificar mucho las cosas.

Fue un discurso que cambió la forma en que imaginamos el espacio y el tiempo. Era el año 1908, y el matemático alemán Hermann Minkowski había estado tratando de dar sentido a la nueva idea de Albert Einstein – lo que hoy conocemos como la relatividad especial – que describe cómo las cosas encogen a medida que se mueven más rápido y cómo el tiempo se distorsiona. “A partir de entonces el espacio y el tiempo están condenados a convertirse en meras sombras”, proclamó Minkowski, “y sólo una unión de los dos conservará una realidad independiente”.

Y así nació el espacio-tiempo, el tejido maleable cuya geometría puede verse modificado por la gravedad de las estrellas, los planetas y la materia. Es un concepto que nos ha servido hasta ahora, pero si el físico Petr Horava está en lo cierto, puede que no sea más que un espejismo. Horava, de la Universidad de California, Berkeley, quiere destrozar este tejido y liberar el tiempo y el espacio con el fin de encontrar una teoría unificada que reconcilie los mundos dispares de la mecánica cuántica y la gravedad – una de las más importantes desafíos de la física moderna.

Desde que Horava publicó su trabajo en enero de 2009, ha recibido una gran atención. Actualmente, más de 250 artículos se han escrito sobre él. Algunos investigadores han comenzado a utilizarlo para explicar los misterios de la energía y la matería oscura. Otros han descubiertos que los agujeros negros quizá no se comporten como creíamos. Si la idea de Horava es correcta, podría cambiar para siempre nuestra concepción del espacio y el tiempo y llevarnos a una “teoría del todo” aplicable a toda la materia y a todas las fuerzas que actúan en ella.

Petr Horava

Petr Horava. FQXi.

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Los aceleradores de partículas también podrían funcionar como generadores

Los aceleradores de partículas podrían generar más energía de la que consumen, según unos cálculos que se realizaron por primera vez hace 30 años.

A primera vista, los aceleradores de partículas no son las máquinas idóneas para generar energía. Sin embargo, la idea de que pudiesen producir más energía de la que consumen no es del todo inverosímil, según apunta hoy Robert Wilson, un físico que hizo posible la creación del Fermilab cerca de Chicago.

Wilson murió en 200, pero un artículo que escribió sobre este tema en 1976 acaba de ser publicado en arXiv que subraya algunas ideas que invitan a la reflexión.

Cadena del acelerador de Fermilab

Cadena del acelerador de Fermilab. Technology Review.

En aquella época, Wilson era el director del Fermilab en el que estaba construyendo un acelerador llamado el Energy Doubler/Saver empleando imanes superconductores para hacer que un haz de protones a gran energía forme un círculo gigante. Estos protones tenían energías de hasta 1000 GeV.

El Energy Doubler era especial porque fue el primero que utilizó la superconductividad a una escala tan grande, algo que tenía una influencia grande en la cantidad de combustible necesaria para hacerlo funcionar. “Una consecuencia de la aplicación de la superconductividad a la construcción del acelerado es que la energía consumida en los aceleradores será mucho más pequeña”, explicó Wilson. Y esto dio lugar a una interesante idea.

Imaginemos que los protones en el acelerador se enviasen de vuelta a un bloque de uranio. Se supone que cada protón generaría una lluvia de 60.000 neutrones en el material y la mayoría de estos sería absorbido por el núcleo para formar 60.000 átomos de plutonio. Cuando se queme en un reactor nuclear, cada átomo de plutonio producirá 0.2 GeV de energía de fisión. Por lo tanto, cada 60.000 neutrones producirían 12.000 GeV.

Utilizando estos cálculos iniciales, Wilson llegó a la conslcuión de que un sólo protón de 1.000 GeV podría liberar 12.000 GeV de energía de fisión. Por supuesto, esto desprecia todos los detalles farragosos que dicen que grandes cantidades de energía pueden perderse. Como por ejemplo, aquel detalle que dice que se necesitan 20 MW para producir 0.2 MW en un Energy Doubler.

Pero incluso con esas pérdidas, parece interesante estudiar el proceso con más detalle para ver si se puede conseguir una producción a la larga.

La conclusión de Wilson es: “Probablemente hay mejores formas de producir plutonio, pero parece que sería facrible contruir un acelerador de protones que produjese más energía de la que consume”.

Treinta años después, la tecnología de aceleradores ha mejorado y no hay duda de que hace que las ideas de Wilson sean aún más interesantes -los aceleradores actuales son más eficientes que los de 1976.

También se podría resolver otro problema. Las naves interplanetarias del tipo de Galileo y Cassini utilizan baterías de Plutonio para conseguir energía. Sin embargo, la cantidad de plutonio disponible para la NASA es cada vez menor y nadie está seguro de cómo funcionarán estos vehículos en el futuro. El enfoque de Wilson podría ayudar.

Aun así, también se debe tener en cuenta el fantasma de la proliferación. La posibilidad de crear plutonio a esta escala utilizando aceleradores con tecnología de hace 30 años es, sin duda, un tema de preocupación para cualquiera que considere la proliferación nuclear un problema.

Ref: arxiv.org/abs/1007.5338: Very Big Accelerators as Energy Producers
Este artículo ha sido traducido de Technology Review y publicado bajo licencia CC by-sa