¿Nos hacemos una cámara de niebla?

¿Se pueden hacer experimentos relacionados con partícula subatómicas sin mucho presupuesto? Pues parece que si. Como resultado de cursos de verano en el CERN, un grupo de profesores de instituto, coordinado por Francisco Barradas Solas ha realizado varios montajes experimentales muy interesantes.



Entre ellos, la construcción de una cámara de niebla para detectar el paso de partículas.





En el sitio web recomendado, te cuentan cómo hacer la cámara y cómo usarla para hacer física. Es decir, como medir la carga de la partícula detectada, el momento, masa, etc...
Incluso incluyen resultados, como esta curiosa imagen:

El sitio web se llama Viaje al Corazón de la Materia.

De lo más pequeño a lo más grande

Uso este manido título porque realmente es lo que está sucediendo ahora. Para estudiar el origen del universo, los procesos que tuvieron lugar cerca del BigBang, cómo se formaron las grandes estructuras del universo; es necesario conocer cada vez más cosas sobre cómo funcionan las partículas.

Conociendo parámetros concretos de energías, masas, procesos de desintegración o creación, etc podemos deducir cómo serían los universos según los diferentes modelos a gran escala, y de ahí comparar con lo que estamos observando y deducir si el modelo es incorrecto. Por ejemplo, si usando un determinado modelo, y usando o que sabemos osbre las partículas, deducimos una tasa de nucleosíntesis (o la proporción entre protones y neutrones, por ejemplo), y lo que se deduce no se corresponde con lo observado, sabremos que el modelo es erróneo.
Cada vez recogemos más información del universo usando partículas, o haces de fotones resultado de ciertos procesos que se producen en el nivel fundamental, por lo que debemos conocer muy bien cómo se producen esos fenómenos. Otro caso parecido es el estudio de las ondas gravitacionales, la búsqueda de materia oscura, etc.
Por eso se dice que muchas veces se estudia el origen del universo en los aceleradores de partículas.
¿Qué se está haciendo en Europa? He encontrado un sitio de éstos de Web2.0, en el que se pretende hacer ciencia colaborativa. Se ponen a disposición de los miembros de los grupos particippntes herramientas de videoconferencia, documentos, etc.
De uno de esos documentos, bastante interesante, he sacado el mapa d elo que intersa ahora mismo en Europa respecto a partículas, cosmología y astrofísica:


Lo interesante del documento, es que repasa lo que se está investigando, en qué situación está la comunidad científica, cuánto sabemos de cada rama y qué se está haciendo para saber más. Es un resumen bastante interesante.
Por ejemplo, en la búsqueda de materia oscura quieren montar un par de detectores. En el análisis del proceso de decaimiento del protón y su relación con el neutrino también...
Otro tipo de investigación es lo que se puede deducir del momento multipolar de la radiación de fondo. de la que ya hablamos.

Búsquese usted mismo el Bosón de Higgs

He encontrado un sitio curioso sobre la búsqueda del bosón de Higgs. Para enseñarte qué es lo que se está haciendo, se usan datos reales y se analizan esos datos.
Te puedes bajar los datos en una hojita excel y procesarlos tú mismo.

Además te dan todos los datos necesarios para comprender el proceso. Cómo se desintegran las partículas implicadas, gráficas, etc.

Apuntes de Física y Libros

Libros gratuitos:

INSTRUMENTATION AND CONTROL. The handbook includes information on temperature, pressure, flow, and level detection systems; position indication systems; process control systems; and radiation detection principles. This information will provide personnel with an understanding of the basic operation of various types of DOE nuclear facility instrumentation and control systems. 1/2 , 2/2

THERMODYNAMICS, HEAT TRANSFER, AND FLUID FLOW. The handbook includes information on thermodynamics and the properties of fluids; the three modes of heat transfer - conduction, convection, and radiation; and fluid flow, and the energy relationships in fluid systems. This information will provide personnel with a foundation for understanding the basic operation of various types of DOE nuclear facility fluid systems. 1/3, 2/3 ,3/3

NUCLEAR PHYSICS AND REACTOR THEORY. The handbook includes information on atomic and nuclear physics; neutron characteristics; reactor theory and nuclear parameters; and the theory of reactor operation. This information will provide personnel with a foundation for understanding the scientific principles that are associated with various DOE nuclear facility operations and maintenance. 1/2 2/2

Diffraction Grating Handbook. Una de las obras de referencia más importantes y empleadas sobre espectroscopia y en especial sobre redes de difracción. Descargar

Fuel Cell Handbook. Manual de celdas de combustible. Documento editado por el Departamento de Energía de USA, de mas de 350, sobre todo tipo de baterías y celdas de combustible para la generación de energía eléctrica. Muy completo y de alto nivel. En ingles y en formato PDF. (Ver)

CERN Accelerator School: Vacuum Technology.

Introduction to the principles of vacuum physics (Ver PDF)
Mechanical pumps (Ver PDF)
Sputter-ion pumps (Ver PDF)
Molecular surface pumping: the getter pumps (Ver PDF)
Molecular surface pumping: cryopumping (Ver PDF)
Pressure measurement - total pressures (Ver PDF)
Pressure measurement with ionization gauges (Ver PDF)
Partial pressure measurement (Ver PDF)
Physics of outgassing (Ver PDF)
Thermal outgassing (Ver PDF)
Dynamic outgassing (Ver PDF)
Cleaning for vacuum service (Ver PDF)
Beam-residual gas interactions (Ver PDF)
Ion trapping, clearing, beam-ion interactions (Ver PDF)
Leak detection (Ver PDF)
Extreme high vacuum (Ver PDF)
Vacuum control and operation ((Ver PDF)
E. Huttel
Materials for accelerator vacuum systems (Ver PDF)
Engineering (Ver PDF)
The best laid schemes (Ver PDF)
Designing accelerator vacuum systems (Ver PDF)
History of vacuum devices (Ver PDF)
LHC vacuum system (Ver PDF)
Vacuum systems of electron storage rings (Ver PDF)
Quality issues in vacuum (Ver PDF)

Principles of Charged Particle Acceleration. Magnífico libro editado por la Universidad de Nuevo Méjico y con la colaboración del Acelerator Tecnology Division de Los Alamos National Laboratory.

Primera parte. Ver PDF.

1. Introduction
2. Particle Dynamics 2.1. Charged Particle Properties 2.2. Newton's Laws of Motion 2.3. Kinetic Energy 2.4. Galilean Transformations 2.5. Postulates of Relativity 2.6. Time Dilation 2.7. Lorentz Contraction 2.8. Lorentz Transformations 2.9. Relativistic Formulas 2.10. Non-relativistic Approximation for Transverse Motion

3. Electric and Magnetic Forces 3.1. Forces between Charges and Currents 3.2. The Field Description and the Lorentz Force 3.3. The Maxwell Equations 3.4. Electrostatic and Vector Potentials 3.5. Inductive Voltage and Displacement Current 3.6. Relativistic Particle Motion in Cylindrical Coordinates 3.7. Motion of Charged Particles in a Uniform Magnetic Field

4. Steady-State Electric and Magnetic Fields 4.1. Static Field Equations with No Sources 4.2. Numerical Solutions to the Laplace Equation 4.3. Analog Met hods to Solve the Laplace Equation 4.4. Electrostatic Quadrupole Field 4.5. Static Electric Fields with Space Charge 4.6. Magnetic Fields in Simple Geometries 4.7. Magnetic Potentials

5. Modification of Electric and Magnetic Fields by Materials 5.1. Dielectrics 5.2. Boundary Conditions at Dielectric Surfaces 5.3. Ferromagnetic Materials 5.4. Static Hysteresis Curve for Ferromagnetic Materials 5.5. Magnetic Poles 5.6. Energy Density of Electric and Magnetic Fields 5.7. Magnetic Circuits 5.8. Permanent Magnet Circuits

Segunda parte. Ver PDF

6. Electric and Magnetic Field Lenses 6.1. Transverse Beam Control 6.2. Paraxial Approximation for Electric and Magnetic Fields 6.3. Focusing Properties of Linear Fields 6.4. Lens Properties 6.5. Electrostatic Aperture Lens 6.6. Electrostatic Immersion Lens 6.7. Solenoidal Magnetic Lens 6.8. Magnetic Sector Lens 6.9. Edge Focusing 6.10. Magnetic Quadrupole Lens

7. Calculation of Particle Orbits in Focusing Fields 7.1. Transverse Orbits in a Continuous Linear Focusing Force 7.2. Acceptance and P of a Focusing Channel 7.3. Betatron Oscillations 7.4. Azimuthal Motion of Particles in Cylindrical Beams 7.5. The Paraxial Ray Equation 7.6. Numerical Solutions of Particle Orbits

8. Transfer Matrices and Periodic Focusing Systems 8.1. Transfer Matrix of the Quadrupole Lens 8.2. Transfer Matrices for Common Optical Elements 8.3. Combining Optical Elements 8.4. Quadrupole Doublet and Triplet Lenses 8.5. Focusing in a Thin-Lens Array 8.6. Raising a Matrix to a Power 8.7. Quadrupole Focusing Channels

Tercera parte. Ver PDF.

9. Electrostatic Accelerators and Pulsed High Voltage 9.1. Resistors, Capacitors, and Inductors 9.2. High-Voltage Supplies 9.3. Insulation 9.4. Van de Graaff Accelerator 9.5. Vacuum Breakdown 9.6. LRC Circuits 9.7. Impulse Generators 9.8. Transmission Line Equations in the Time Domain 9.9. Transmission Lines as Pulsed Power Modulators 9.10. Series Transmission Line Circuits 9.11. Pulse-Forming Networks 9.12. Pulsed Power Compression 9.13. Pulsed Power Switching by Saturable Core Inductors 9.14. Diagnostics for Pulsed Voltages and Current

10. Linear Induction Accelerators 10.1. Simple Induction Cavity 10.2. Time-Dependent Response of Ferromagnetic Materials 10.3. Voltage Multiplication Geometries 10.4. Core Saturation and Flux Forcing 10.5. Core Reset and Compensation Circuits 10.6. Induction Cavity Design: Field Stress and Average Gradient 10.7. Coreless Induction Accelerators

Cuarta parte. Ver PDF

11. Betatrons 11.1. Principles of the Betatron 11.2. Equilibrium of the Main Betatron Orbit 11.3. Motion of the Instantaneous Circle 11.4. Reversible Compression of Transverse Particle Orbits 11.5. Betatron Oscillations 11.6. Electron Injection and Extraction 11.7. Betatron Magnets and Acceleration Cycles

12. Resonant Cavities and Waveguides 12.1. Complex Exponential Notation and Impedance 12.2. Lumped Circuit Element Analogy for a Resonant Cavity 12.3. Resonant Modes of a Cylindrical Cavity 12.4. Properties of the Cylindrical Resonant Cavity 12.5. Power Exchange with Resonant Cavities 12.6. Transmission Lines in the Frequency Domain 12.7. Transmission Line Treatment of the Resonant Cavity 12.8. Waveguides 12.9. Slow-Wave Structures 12.10. Dispersion Relationship for the Iris-Loaded Waveguide

13. Phase Dynamics 13.1. Synchronous Particles and Phase Stability 13.2. The Phase Equations 13.3. Approximate Solution to the Phase Equations 13.4. Compression of Phase Oscillations 13.5. Longitudinal Dynamics of Ions in a Linear Induction Accelerator 13.6. Phase Dynamics of Relativistic Particles

Quinta Parte. Ver PDF

14. Radio-Frequency Linear Accelerators 14.1. Electron Linear Accelerators 14.2. Linear Ion Accelerator Configurations 14.3. Coupled Cavity Linear Accelerators 14.4. Transit-Time Factor, Gap Coefficient and Radial Defocusing 14.5. Vacuum Breakdown in rf Accelerators 14.6. Radio-Frequency Quadrupole 14.7. Racetrack Microtron

15. Cyclotrons and Synchrotrons 15.1. Principles of the Uniform-Field Cyclotron 15.2. Longitudinal Dynamics of the Uniform-Field Cyclotron 15.3. Focusing by Azimuthally Varying Fields (AVF) 15.4. The Synchrocyclotron and the AVF Cyclotron 15.5. Principles of the Synchrotron 15.6. Longitudinal Dynamics of Synchrotrons 15.7. Strong Focusing

Os pongo unos enlaces con contenidos de apuntes de Física.

	Álgebra y Geometría lineal	Cyberfísica	Análisis I	Farmacología
	Física general	Informática	Termodinámica	Laboratorio de Física General
	Electricidad	Química General	Electromagnetismo	Análisis II
	Laboratorio de mecánica y termodinámica	Mecánica y ondas	Ampliación de ecuaciones diferenciales	Ampliación de mecánica
	Estadística física	Física cuántica	Laboratorio de electromagnetismo	Laboratorio de Óptica
	Óptica	Análisis complejo	Física computacional	Gravitación y astrofísica
	Electrodinámica clásica	Electrónica	Física de estado sólido	Mecánica cuántica
	Física estadística	Mecánica teórica	Mecánica cuántica avanzada	Óptica avanzada
	Física nuclear y de partículas

Fallo y explosión en el CERN

El 27 de marzo en el CERN, se produjo un accidente bastante grave, aunque no hay victimas. Durante las pruebas de presión del líquido refrigeante, un imán de unas 20 toneladas de peso del LHC estalló. Parece ser que se ha dañado bastante y que habrá que revisar y reparar el resto de los 24 imanes del acelerador.
Según dice FermiLab (laboratorio que diseñó el dispositivo) en un comunicado, el imán fué diseñado para soportar hasta 25 atmósferas de presión, pero no se tuvo en cuenta para los cálculos los efectos de esa presión en la dirección longitudinal. (Un poco fuerte)
Lo que se ha roto está en verde, se trata de la estructura de soporte del material frío del cuadrupolo (azul) dentro del criostato (que no se pinta en el esquema, pero puede verse el esquema más completo anterior y en el siguiente).


El comunicado original fué el 29 de marzo, y el siguiente el 3 de abril.

Masa, Bosón de Higgs y Campos Escalares

No hace mucho pusimos una notica sobre los avances en la búsqueda del bosón de Higgs. Es esa nota, se relacionaba la búsqueda del bosón que da significado al campo escalar responsable de la masa de las partículas con datos sobre la partícula W. Si queréis conocer mejor la relación entre el bosón de Higgs, la partícula W y la rotura de la simetría electrodébil, os recomiendo una charla del curso de verano de Stanford (igualito que nuestros cursos de verano en España), The Higgs Boson and Electroweak Symmetry Breaking del profesor Michael Peskin.

En ésta se da un repaso al modelo estándar mínimo, a los métodos de búsqueda de la partícula de higgs, lo que se puede esperar encontrar en esa búsqueda, etc.
En esa charla se recomienda un libro


La Guía del Cazador de Higgs, que no he leído, pero intentaré leer, aunque es bastante caro.

¿Se puede comprobar la teoría de supercuerdas?

Parece que científicos de la Universidad de Texas han ideado un experimento para comporbar la validez de la teoría de supercuerdas. Se trata de algo similar, en espíritu, al experimento de las variables ocultas y la desigualdas de Bell.
Según los autores, se trata de test bastante elegante: la forma canónica de la teoría de supercuerdas se basa en varias condiciones, a saber:

1. Gauge de Lorentz (el sistema que nos dice cómo son las leyes de la física en los sistemas inerciales de la relatividad especial)
2. Analiticity (no se cómo traducirlo), un criterio de suavidad para la dispersión de partículas de alta energía tras una colisión
3. Normalización (unitarity):todas las probabilidades suman siempre uno.

El test diseñado enlaza con estas tres condiciones. Se hará un test sobre dispersión de bosones W y si los resutlados no coinciden con los predichos por la teoría significaría que habría pruebas de que se violan las bases matemáticas sobre las que descansa la teoría de cuerdas. Entonces la teoría misma sería errónea como modelo de descripción de fenómenos físicos. La teoría podría modificarse para adaptarla a los hechos, pero dicha modificación no sería trivial.
Si el test es superado no se podrá determinar todavía si la teoría de supercuerdas es o no correcta. Es decir el test sirve para refutar o descartar la teoría pero no para demostrarla.
Podeis encontrar el artículo en Arxiv, un resumen más entendible en el web de la Universidad de Texas, yun resumen bastante bueno en NeoFronteras.

Nuevos datos sobre el bosón de Higgs

Parece que ya hay avances en el estudio del bosón de Higgs. En el laboratorio de Fermi han medido con algo más de precisión que los experimntos anteriores la posible masa de ésta partícula. Según su comunicado (no he revisado los datos, pero puedo suponer que son correctos) parece que la masa de la partícula W es del orden de 80413 +/- 48 MeV/c², algo más pesada que lo que se pensaba, por lo que la del bosón de higgs deberá ser más ligera de lo estimado anteriormente.
En la gráfica se pueden ver estos resultados. La masa del quark top, el bosón de Higgs y el bosón W están relacionadas. En azul los resultados más modernos de la masa de la partícula W, usadas para la estimación de la masa del bosón de Higgs, que está en la banda verde.

Mapa de la materia oscura

Este mapa se ha realizado usando datos del Hubble, espectros captados por el VLT y con imáganes del telescopio japonés Subaru y el telescopio Canadá-Francia-Hawai.
Ofrece una primera visión de la distribución a gran escala de la materia oscura, una forma invisible de materia que es la responsable por la mayor parte de la masa del universo.

Los tres ejes del esquema corresponden a corrdenadas esféricas de la posición celeste (ascensión recta y declinación) junto con la distancia a la Tierra, que va aumentando de izquierda a derecha, según las mediciones del desplazamiento cósmico al rojo.
La distancia denota la antiguedad, cuánto más lejano, más cercano al origen del universo, si pensamos en el tiempo.

El artículo completo se puede encontrar en el portal de la Agencia Espacial Europea ESA y hay una versión traducida en Astroseti, web siempre recomendable.

He vuelto y el imán sumerconductor del CERN

He vuelto.
He estado fuera unos días en un curso de preparación del examen del CISA, examen al que me presento en diciembre, y no he tenido mucho tiempo para meter nada en el blog.

Hablando de cosas más interesantes aquí va una noticia curiosa. El CERN ya ha puesto en funcionamiento el imán superconductor que sirve para detectar particulillas en el nuevo acelerador que están montando. Es capaz de generar un campo de 4 Tesla. Para que os hagais una idea de qué significa esto, en un aparato de resonancia magnética nuclear usado en medicina se usan campos de unos dos Teslas
Se enfría a 4k, y se hace circular una corriente de 21000 Amperios, mide 45x25 metros, más que mi casa, ...

Investigación nuclear sobre el origen del Universo

Según la nota de prensa publicada por la Universidad de Santiago de Compostela:
Físicos de la USC estudian reacciones nucleares de interés astrofísico para conocer cómo se formaron los elementos químicos que constituyen el universo
Las tecnologías desarrolladas para llevar a cabo estas investigaciones podrían tener en un futuro próximo importantes aplicaciones médicas e industriales.
Es decir, podrían (o no) tener aplicaciones, pero ahora no... Esto es típico, ya no existe la investigación per se, siempre han de encontrarse aplicaciones, incluso cuando se están estudiando reacciones nucleares relacionadas con el origen del universo.
Volviendo al contenido de la noticia: se trata de una forma de relacionar la Física Nuclear con la Astrofísica que está cada vez más desarrollada. Hasta no hace mucho, algunas áreas de investigación del origen del universo se quedaban fuera del área experimental. Sin embargo, al relacionar lo más pequeño con lo más grande podemos hacer estudios de este estilo.
En este caso se estudian reacciones nucleares de nucleo-síntesis, intentando determinar en qué fase del origen del universo se crearon ciertos elementos o si se crearon en las estrellas, tras las explosiones de supernovas.
Se utiliza el acelerador de partículas de Alemania para la parte experimental de la comprobación de los diferentes modelos.