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Astroparticulas

La Física de Astropartículas o Astrofísica de Partículas es un campo relativamente reciente de investigación que se dedica al estudio de las partículas elementales de origen astrofísico.

Fisica de particulas

La física de partículas es la rama de la física que estudia los componentes elementales de la materia y las interacciones entre ellos.

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Estudiar y determinar la naturaleza, energía y lugar de origen de los rayos cósmicos como vía para comprender mejor el origen del Universo.

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lunes, 27 de mayo de 2013

Confirmado el magnetar más antiguo y más débil

Confirmado el magnetar más antiguo y más débil 
Un estudio internacional liderado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha confirmado la existencia del segundo magnetar (estrella de neutrones de campo magnético muy intenso) anómalo conocido hasta el momento. Este cuerpo celeste, denominado SGR 0418+5729, es el más antiguo y más débil de los detectados de su tipología. El hallazgo, publicado en la revista The Astrophysical Journal, aporta información que podría ayudar a comprender la evolución de las estrellas de neutrones y las explosiones de supernovas.

La confirmación de SGR 0418+5729 como magnetar anómalo ha sido posible gracias a la observación obtenida durante tres años por los telescopios espaciales Chandra, XMM Newton, RXTE y Swift, de la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Estadounidense (NASA). “Se han necesitado las observaciones de tantos instrumentos espaciales porque para medir el campo magnético con alta precisión, se necesita obtener observaciones durante muchos años y de forma muy regular”, comenta el investigador del CSIC en el Instituto de Ciencias del Espacio Alessandro Papitto.

“Este magnetar, detectado en 2010, presenta las erupciones violentas y repentinas en altas energías típicas de un magnetar clásico pero tiene un campo magnético mucho más débil. La debilidad de su campo magnético nos ha permitido estimar la edad de este objeto en unos 550.000 años, lo que lo convierte en el más antiguo de los conocidos hasta el momento”, explica la investigadora del CSIC Nanda Rea, del Instituto de Ciencias del Espacio.

Una de las hipótesis alternativas para justificar una rotación más lenta de lo esperado es la existencia de un disco de polvo alrededor del magnetar que podría estar frenando su rotación. Sin embargo, los investigadores han descartado esa posibilidad después de no haber hallado ningún rastro del disco en las observaciones con diferentes longitudes de onda. “La no detección del disco implica que este, si existe, no es lo suficientemente masivo como para modificar la rotación de la estrella, y el pequeño frenado que se observa sólo puede ser debido a un campo magnético débil”, añade la investigadora Aina Palau, también del Instituto de Ciencias del Espacio.

Magnetismo y supernovas

Los magnetares son estrellas de neutrones que poseen campos magnéticos muy intensos, unas 1.000 veces más que los radio púlsares, cuya intensidad es, a su vez, mil billones de veces mayor que la del Sol. Nacidas de las explosiones de supernovas, las estrellas de neutrones se caracterizan por rotar a gran velocidad y tener una masa un poco mayor que la del Sol pero concentrada en un radio de unos 10 kilómetros aproximadamente. Su edad se determina a partir de la velocidad de rotación ya que a medida que evolucionan van girando más lentamente.

El estudio sobre SGR 0418+5729 sugiere que las erupciones de rayos gamma podrían ser un indicio de la formación de magnetares. “Haber encontrado magnetares con campos magnéticos tan débiles indicaría que el ritmo de nacimiento de estos objetos es entre cinco y diez veces superior a lo que se creía, pero deben encontrarse escondidos en el Universo ya que se detectan solo durante dichas erupciones de alta energía, que son poco frecuentes. Ese campo magnético de gran intensidad que caracteriza a los magnetares podría entonces tener dos orígenes: ser generado en el núcleo de la estrella masiva durante la explosion de supernova, o que la estrella masiva se encuentre altamente magnetizada de su estadio previo a la ignición”, concluye Rea.

CSIC

jueves, 16 de mayo de 2013

Al grafeno le salen mariposas por un extraño efecto cuántico

Al grafeno le salen mariposas por un extraño efecto cuántico 
Dos equipos internacionales de científicos, con participación del CSIC en uno de ellos, han demostrado que el grafeno sometido a campos electromagnéticos exhibe una sucesión de mariposas de Hofstadter, una llamativa estructura fractal. Los estudios se publican esta semana en la revista Nature.

En 1976, el científico y filósofo Douglas Hofstadter predijo un raro efecto cuántico, conocido como mariposa de Hofstadter. El fenómeno consiste en que los electrones de una malla de material sometido a campos electromagnéticos muestran un complejo espectro de energía con características fractales.

Hasta la fecha los científicos no habían podido demostrarlo experimentalmente, pero ahora dos equipos internacionales, uno liderado desde la Universidad de Columbia (EEUU) y otro desde la de Mánchester (Reino Unido), lo han conseguido utilizando grafeno, un cristal formado por una red de hexágonos de carbono.

“Los electrones en los cristales se comportan como ondas, y la trayectoria de estas ondas se modifica por el campo magnético”, explica a SINC Francisco Guinea, físico del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) y miembro del segundo equipo.

“La combinación de la red cristalina y el campo magnético genera patrones que se reproducen a escalas cada vez más pequeñas, formando estos sistemas fractales”, añade el investigador.

Para observar las repeticiones de las mariposas de Hofstadter, los equipos colocaron la malla de grafeno sobre un sustrato de nitruro de boro, también hexagonal. De esta forma surge un artefacto visual conocido como patrones de moaré, similar al que a veces aparece en una imagen al superponer rejillas de líneas con un cierto ángulo.

Los dos grupos han trabajado de forma independiente, el primero con bicapas de grafeno y el segundo con una sola capa, pero en ambos casos han obtenido evidencias claras de los espectros de energía de Hofstadter. Los estudios se publican en la revista Nature.

Los autores destacan que los resultados ofrecen “una oportunidad para estudiar efectos caóticos complejos en sistemas cuánticos”. De hecho la investigación se basa en el efecto Hall cuántico, una versión cuántica del denominado campo Hall. Este aparece en el interior de un conductor cuando actúa un campo magnético perpendicular al movimiento de las cargas.

Además, la investigación también abre la posibilidad de diseñar en el futuro nuevos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos que pudieran aprovechar este efecto.

“Aún es pronto para decir cómo se podría aplicar, aunque, en general, la modulación de las trayectorias de los electrones puede servir para bloquear corrientes y desarrollar transistores”, apunta Guinea.

SINC

jueves, 9 de mayo de 2013

Algunos núcleos atómicos tienen forma de pera

Algunos núcleos atómicos tienen forma de pera 
Experimentos realizados en el CERN por un equipo internacional de científicos han constatado que los núcleos atómicos de algunos elementos tienen forma periforme. Estos resultados, además de su valor para refinar las teorías sobre la estructura nuclear, pueden ayudar a establecer el dominio de la materia sobre la antimateria, e incluso la validez del modelo estándar de la física de partículas.

Un equipo internacional del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), en la frontera franco-suiza, ha demostrado que algunos núcleos atómicos pueden adquirir formas periformes exóticas más allá de las tradicionales.

Ya se sabía que la mayoría de los núcleos que existen en la naturaleza tienen forma 'de pelota de rugby' en su estado fundamental. Según un nuevo estudio, publicado esta semana en la revista Nature, algunos otros –con números de protones y neutrones concretos– logran adquirir forma 'de pera'. Aunque esto había sido predicho teóricamente, hasta el momento no se contaba con evidencia experimental suficiente.

De acuerdo con las teorías modernas que describen la dinámica nuclear, la forma del núcleo atómico está determinada por el número de protones y neutrones que lo componen, así como por las interacciones entre estas partículas. En su estado fundamental, los núcleos tienden a ser esféricos cuando el numero de protones y/o neutrones esta cerca de los denominados 'números mágicos'.

Para los demás, lo habitual es un estado fundamental con forma elipsoidal mayoritariamente de tipo 'prolado' –con forma de balón de rugby–. Cuando el número de protones y neutrones toma ciertos valores, el efecto de cierto tipo de interacciones nucleares se magnifica dando lugar a formas más exóticas.

“La principal característica de estas formas es que no respetan la simetría de reflexión”, explica Luis Robledo, profesor del departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid y uno de los firmantes del trabajo.

“La observación experimental de núcleos con forma de pera no solo es importante para la comprensión teórica de la estructura nuclear, donde se conjugan los intrincados efectos de la interacción nuclear y la dinámica de muchos cuerpos –añade–, también puede ser de gran ayuda para la búsqueda experimental de momentos dipolares eléctricos en átomos”.

Más allá del modelo estándar

Muchas de las teorías propuestas para suceder al modelo estándar de la física de partículas elementales predicen la existencia de un momento dipolar eléctrico (EDM) intrínseco de las partículas elementales, asociado a la violación de la simetría de inversión temporal y paridad de la interacción fuerte.

“Este efecto podría ser de vital importancia para explicar la prevalencia de materia sobre antimateria en el Universo", señala Robledo. "Los valores típicos predichos para dichos EDM están más allá de los límites experimentales para su detección en la mayoría de los experimentos, pero se ha sugerido que la forma de pera de ciertos núcleos podría aumentar la sensibilidad del experimento entre dos y tres órdenes de magnitud”.

Los resultados presentados en Nature para ciertos isótopos del radio (Ra) y el radón (Rn) juegan a favor de esta posibilidad. En la instalación ISOLDE o 'separador de isótopos en línea' del CERN se estudió la forma de dos isótopos inestables, 224Ra y 220Rn.

Los datos obtenidos muestran que el núcleo del primero tiene forma de pera en su estado fundamental, mientras que el segundo no adquiere esta forma permanentemente, sino que vibra con ella.

El estudio de estos isótopos requirió desarrollar una técnica experimental compleja. Se crearon núcleos radiactivos muy pesados en colisiones de alta energía entre protones y blancos de carburo de uranio. Los núcleos así creados se extrajeron usando sus propiedades químicas, para posteriormente ser acelerados hasta un 8% de la velocidad de la luz.

Después fueron implantados en blancos de níquel, cadmio y estaño. En este proceso de implantación se produjo un pulso electromagnético que excitó los núcleos, lo que permitió finalmente el estudio de sus formas.

En su trabajo los autores destacan que los resultados obtenidos no sólo serán de gran utilidad para refinar las teorías actuales sobre la estructura nuclear, sino que además ayudarán a direccionar la búsqueda experimental de los EDM intrínsecos en átomos y dilucidar nuevos aspectos de la física de partículas.

UAM | SINC

miércoles, 1 de mayo de 2013

La antimateria también se ve afectada por la gravedad

La antimateria también se ve afectada por la gravedad 
Científicos de la colaboración ALPHA del CERN han presentado la primera evidencia directa de cómo los átomos de antimateria interactúan con la gravedad. El estudio, que publica Nature Communications, se ha centrado en medir la masa gravitacional del antihidrógeno.

En 2010 los miembros del experimento ALPHA del CERN ya consiguieron atrapar antihidrógeno, el átomo de antimateria neutra más simple. Ahora han medido por primera vez su masa gravitacional –fuerza de atracción en un campo gravitatorio– y ver su proporción respecto a su masa inercial –resistencia al cambio de velocidad–.

Los resultados revelan que si un átomo de antihidrógeno cae hacia abajo, su masa gravitacional es no más de 110 veces mayor que su masa inercial. Pero si cayera hacia arriba, su masa gravitacional es a lo sumo 65 veces mayor. Los datos permiten establecer estos límites.

En cualquier caso lo que demuestra el estudio es que se puede medir la gravedad de la antimateria. La técnica para hacerlo se publica ahora en la revista Nature Communications , y el equipo confía en que vaya adquiriendo cada vez más precisión.

“Uno de los grandes interrogantes sobre la antimateria neutra es cómo se comporta cuando interactúa gravitacionalmente con la materia”, explica a SINC Marcelo Baquero-Ruiz, de la Universidad de California en Berkeley (EE.UU.) y coautor del trabajo.

“Hay muchos argumentos que sugieren que ambas se debería atraer y comportarse de la misma manera –prosigue–. Sin embargo, nunca nadie ha tenido la posibilidad de poner a prueba experimentalmente esta afirmación hasta ahora. Pero quedan preguntas sin resolver: ¿Se caerá la antimateria hacia arriba o hacia abajo? ¿O tal vez es atraída hacia la materia pero con una aceleración diferente?”

Estas cuestiones siguen intrigando a los físicos, añade Joel Fajans, otro miembro de la colaboración en la Universidad de California-Berkeley, ya que "en el caso improbable de que la antimateria se cayera hacia arriba, tendríamos que revisar radicalmente nuestra visión de la física y repensar cómo funciona el universo".

Pero los argumentos teóricos actuales predicen que los átomos de hidrógeno y antihidrógeno tienen la misma masa y deben interactuar ante la gravedad de la misma manera. Si se libera un átomo, debería experimentar una fuerza hacia abajo tanto si está hecho de materia o antimateria.

"El aparato ALPHA puede atrapar átomos de antihidrógeno y luego liberararlos a propósito", aclara Jeffrey Hangst, el portavoz de ALPHA, para explicar la técnica que ha seguido. "Utilizamos nuestro detector de aniquilación sensible a la posición para ver si podíamos observar la influencia de la gravedad en esos átomos liberados".

El equipo ha analizado con caracter retroactivo cómo los átomos de antihidrógeno se movieron cuando se liberaban, lo que les ha permitido establecer los límites a los efectos gravitacionales, pero de momento se trata de un primer paso.

Los científicos confían en que cuando se reanude el experimento en 2014 con una trampa de antimateria actualizada, bautizada com ALPHA-2, se logren más avances. Además, el CERN prepara otros experimentos, como AEgIS y GBAR, para seguir midiendo cómo la gravedad afecta al antihidrógeno.

SINC

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