Blog de robótica e inteligencia artificial

8/27/2012

En Amazings: Cuando el CERN intentaba afinar sus instrumentos

De nuevo, participo en Amazings hablando del CERN. Esta vez la entrada tiene la novedad de ser un artículo realizado junto a @emulenews. Me ha gustado la experiencia, por lo que no descarto futuras colaboraciones con algún bloguero. Os dejo con la entrada, y como siempre, gracias por los comentarios.






Tras años con tu antiguo coche adquieres uno nuevo. Como conductor tienes que modificar tus hábitos para aprovechar todas las ventajas de tu nuevo vehículo. Por ejemplo, el motor no está castigado y tendrás que alargar un poco más las marchas; la sensibilidad y recorrido de los pedales será mucho menor, y mayor la respuesta del motor. Este proceso de recalibración de tus hábitos de conducción es aún más importante cuando se trata de una actividad profesional. En un equipo de Fórmula 1 hay técnicos especialistas en ayudar al piloto a adaptarse al coche de una temporada a otra. Por ejemplo, el cambio del proveedor de neumáticos en la temporada 2011, de Bridgestone a Pirelli, obligó a todos los pilotos a “recalibrar” su conducción.

Lo mismo ocurre en el mundo científico. En investigación, garantizar una gran precisión en los resultados, sobre todo en la medición de nuevos fenómenos físicos, requiere rutinas de calibración de todo el equipo y de toda la instrumentación del laboratorio. En los grandes experimentos en instalaciones como la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), cerca de Ginebra, donde trabajan equipos de miles de investigadores, esta tarea la realiza personal especializado.


Tal y como dicta el sentido común, cuanta mayor sea la ambición de resultados, mayores han de ser las garantías de que ese resultado es correcto. Por ello, para proclamar el descubrimiento de una nueva partícula se requieren cinco sigmas (una probabilidad menor de una parte en tres millones de que el resultado sea debido a ruido en los datos). Así lo estamos viviendo con el descubrimiento del bosón de Higgs; se ha proclamado el descubrimiento a cinco sigmas de una nueva partícula muy parecida al Higgs, pero no se han alcanzado aún para asegurar que se trata de la partícula predicha por la teoría.

La calibración de un gran experimento puede parecer una labor aburrida, pero muchas veces está sazonada con gran número de anécdotas y curiosidades.

La mejor ilustración son los problemas de calibración del Gran Colisionador de Electrones contra Positrones (LEP, siglas de Large Electron-Positron Collider), que ocupó entre los años de 1989 a 2000 el túnel de 27 km de circunferencia del CERN que ahora ocupa el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, siglas de Large Hadron Collider). Los interesados en más detalles sobre la historia de este experimento pueden consultar esta entrada.

En los aceleradores de partículas circulares uno de los problemas más graves es la pérdida de energía por radiación sincrotrón. Cuando una partícula cargada se mueve a velocidades ultrarrelativistas (cercanas a la velocidad de la luz) en una trayectoria circular emite un cono de radiación en la dirección tangencial a la trayectoria; el cono es más estrecho cuanto más rápida es la partícula. Esta radiación está polarizada linealmente ya que el vector de campo eléctrico de la radiación apunta en la dirección del radio de curvatura de la trayectoria (en un órbita circular, apuntará al centro de la circunferencia).

Los efectos cuánticos en la radiación sincrotrón provocan que el espín de los electrones (positrones) se reoriente en una dirección paralela (antiparalela) al campo magnético exterior, es decir, los propios electrones se “polarizan” en la dirección transversal al movimiento. En las colisiones entre electrones y positrones para controlar con precisión el perfil de la energía del haz en el punto de colisión conviene que su espín esté orientado en la dirección longitudinal, lo que se puede lograr gracias a que los campos magnéticos aplicados para curvar la trayectoria de los electrones no son homogéneos. Un control preciso de estos campos magnéticos permite compensar el efecto de la radiación sincrotrón y lograr que en los puntos de colisión las partículas reorienten sus espines en la dirección longitudinal. Se trata de un proceso muy delicado y que requiere una gran calibración de los instrumentos.

Por ejemplo, en 1992, se descubrió que la energía del haz tenía dos picos de intensidad, tal y como se demuestra en la primera gráfica. Los científicos no comprendían qué lo ocasionaba, ya que no respondía a sus cálculos teóricos. Finalmente, se descubrió que este fallo se debía a la Luna, la cual hacía que la corteza de la Tierra bajo el LEP suba unos cm, lo que provocaba que la circunferencia del túnel varíe y las partículas se desalineen del centro del túnel.



Esto equivalía a una desviación de 13 micras y 1MeV. (PÁG 9). Tan aclamado fue la solución al fallo, que tuvo una gran repercusión mediática, tal y como se ve en la imagen siguiente.



Sin embargo, las mareas no sólo eran de agua, sino también de tierra. Éstas tienen unas características distintas de las precedentes. En ellas, el Sol influye en ⅓ y la Luna en ⅔ de la fuerza total, sin embargo, no son periódicas cada 12 horas y dependen del eje de rotación de la Tierra. Se puede ver en la primera figura tras el párrafo. Como consecuencia de estos movimientos terrestres, la alteración de la señal era la que se muestra dos imágenes a continuación:






Pero hay más factores naturales además de la Luna, y no estoy hablando de algo tan improbable como un terremoto, ¡qué va! Los diseñadores del CERN se percataron de que había que calibrar el haz de energía para las ÉPOCAS LLUVIOSAS. El territorio en el que se encuentra el experimento no es que sea un desierto precisamente, sino que todos recordamos a la vaca de Milka, que vive por ahí, en verdes prados. Y para que sean del color de la esperanza, tiene que llover. Y la lluvia, también afectó a la calibración del LEP, concretamente, existía una oscilación de hasta dos milímetros (2000 veces peor que la precisión requerida).




Pero los problemas no acabaron ahí, ya que en la primavera de 1994, se detectó un exceso de 5 MeV respecto al modelo que predecían los diseñadores LEP. La gráfica exactamente era la que se muestra a continuación:



No se podía considerar ruido de señal, ya que la diferencia de energía entre el modelo predictivo y la realidad eran demasiado grandes. Más aún, la cosa se volvió misteriosa cuando se estudió más en detalle estas diferencias de señal, ya que se descubrió que no afectaban por la noche.



Sin embargo, más enigmático fue cuando a lo largo de un día completo no hubo alteración de la señal. Los científicos no pararon de comprobar los fenómenos naturales que acontecieron ese día, hasta que en noviembre de 1995 se descubrió que el responsable de este comportamiento anómalo era el tren TGV con dirección a París, el cual tuvo un día de parón en la histórica huelga francesa de 1995.

Pero ojo, no me estoy refiriendo al peso y esfuerzo mecánico que supone el paso del tren, sino el de la actividad eléctrica que provoca.




El túnel del LEP estaba afectado por un 1A de corriente continua procedente de la catenaria del tren, concretamente.


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8/24/2012

Las seducciones científicas (reseña)

En las últimas semanas he tenido la oportunidad de leer las obras La seducción de las Matemáticas y La seducción de la Física, ambos de la editorial Ariel. También, los dos libros han sido escritos por el mismo autor, Christoph Drösser, el cual es un autor alemán que escribe en el diario Zeit la columna ¿eso es cierto?



Los libros se componen de aproximadamente una docena de capítulos cortos que ayudan a que ambos volúmenes sean muy fáciles de leer. La estructura siempre es la misma: En cada uno de los capítulos se presenta un concepto o idea distinta; para ello, se presenta una situación más o menos cotidiana como si fuese un breve relato. Posteriormente, como gancho y a partir de esa historia, hay una descripción científica explicando con las mínimas fórmulas el concepto en cuestión.

En primer lugar se escribió La seducción de las Matemáticas, y curiosamente fue el que yo me leí primero. El autor reconoce, y le doy la razón, de que está hecho para gente que se inicia en este mundo. Es verdad, el libro tiene conceptos sencillos para los cuales no hace falta conocimientos previos. El nivel tampoco es muy alto, y puede ser un libro apto para bachillerato (16-18 años). A los que no están acostumbrados a leer este tipo de divulgación seguro que le llamará la atención algunas explicaciones, como el uso que se hace de las estadísticas en televisión y cómo se pueden manipular, o la explicación de la historia de Arquímedes y la corona de oro.

Además, al final de cada capítulo en los dos libros aparecen unos problemas propuestos en línea con el nivel del capítulo, pero que en mi opinión ayuda a enganchar y a involucrar al lector. A mí en conjunto las dos obras me han gustado, ya que apoyan mi idea de que es malísimo el sistema de divulgar una ciencia atiborrando a fórmulas y ecuaciones.

En general, no creo que haya que extender la serie más. Me había preguntado si merecería la pena hacer un volumen sobre química, pero creo que no, ya que los libros aquí descritos pretenden servir (sobre todo el de matemáticas) como una base y una herramienta de apoyo para el estudio y la comprensión de otras áreas. Además, es un primer comienzo de germinar el espíritu crítico y la relatividad de los datos que nos presentan.

Por cierto, creo que se nota la experiencia divulgativa del autor, ya que además de ser riguroso en el contenido, no conseguiría enganchar al lector si no tuviera ya una cierta experiencia.


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8/21/2012

Humidificadores de terrazas

Seguro que la mayoría de vosotros habréis visto estos días de verano un aparato como el de la siguiente fotografía en las terrazas de los bares:



Se llaman ventiladores-humidificadores, y es un producto totalmente comercial, tal y como lo demuestra el siguiente enlace. Lógicamente, su función es refrescar, y a pesar de lo que parezca, eso no lo consigue mojando a los clientes que estén en ese momento en la terraza. La explicación la encontramos en la termodinámica, tal y como se describe a continuación.

Para empezar, vamos a presentar el diagrama psicrométrico



Os recomiendo pinchar en la imagen para ver mejor. Este diagrama relaciona la humedad (líneas con puntos azules tienen misma humedad relativa), la entalpía, (líneas con puntos azules) y el volumen específico (líneas con puntos rojos).


Así definimos la humedad relativa: presión de vapor / presión del aire en seco.


Y por su parte, la humedad absoluta se define como w= masa del vapor / masa del aire seco.


La línea de presión que forma la envolvente de la gráfica, es la presión de saturación del aire: el agua puede ser gaseosa a cualquier temperatura, pero hay una presión en la que el gas está en equilibrio con el líquido, y esa es la presión de saturación, y la región donde tenemos aire húmedo, es por debajo de esa línea, por encima es algo así como sobresaturado. 

A continuación, también incluyo un gráfico orientativo de cómo se considera que está el aire en cada zona del diagrama.



Lo que queremos conseguir, ¿QUÉ ES? Queremos que el aire de la terraza se enfríe, y para ello estamos echándole gotas de agua. Por lo tanto, vamos a suponer que necesitamos ir de Hot Dry (en amarillo) a Warm Humid (rosa) para conseguir una sensación más agradable. En esa línea imaginaria que trazamos del amarillo al rosa, lo que estamos haciendo es bajar la temperatura, aumentar la humedad relativa. Por la pinta de las líneas en el primer diagrama, parece que lo que tenemos que recorrer es una línea de entalpía constante.

Lo que tenemos en nuestro problema es un contenido líquido (el recipiente del agua del humidificador), del que sale una pequeña cantidad de agua pulverizada. El aire y el agua al principio están en unas condiciones, sin embargo, en la pulverización, el aire está saturado.

En el siguiente dibujo tenemos las siguientes variables de entrada de nuestro sistema: T, humedad relativa y humedad absoluta.


Si en este sistema hacemos un balance de energías a partir del primer principio de la termodinámica, como el sistema es adiabático, sin trabajo y no tiene energía exterior, queda sólo el término de la entalpía.

No es el ánimo de este post desarrollar las ecuaciones, pero se demuestra que aproximadamente h1 y h2 son equivalentes. Es decir, la entalpía a la entrada y a la salida del sistema que hemos incluido en el dibujo anterior son aproximadamente iguales. Por lo tanto, podemos movernos en el diagrama psicrómetrico tal y como hemos predicho, a lo largo de una recta isoentálpica.

Cada vez que una gota de líquido se evapora, eso no es gratis, sino que enfría las gotas de alrededor, y de hecho, esa energía es la que hace que h1 y h2 no sean exactamente iguales. Tal y como cita la wikipedia básicamente, las gotas del humidificador necesitan una energía para evaporarse, y esa energía la pueden coger de las gotas de alrededor. Son ecuaciones (Clausius-Clapeyron) en las que no vamos a entrar ahora. 

Esto se puede enlazar con la sudoración típica de ambientes húmedos y costeros. Si estamos en un ambiente caluroso y seco, el cuerpo expele sudor, y éste se evapora. Esa evaporación es la que genera el enfriamiento del cuerpo. Sin embargo, en ambientes húmedos, el sudor no se evapora, por lo tanto, el cuerpo genera aún más sudor para intentar refrigerar el cuerpo.



No puedo cerrar el post sin nombrar a @tgacebo, en cuyas clases aprendí ésta y otros útiles conceptos termodinámicos, y gracias también por el tweet.
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8/13/2012

En Amazings: Cuando el CERN compró vacas para tranquilizar a los miedosos

Hoy os traigo la última colaboración que realicé para Amazings. Por cierto, aprovecho el post para avisar de que vayáis preparando vuestras agendas para el próximo Amazings Bilbao 2012, del 28 al 29 de septiembre para el cual ya existe el programa completo y un servidor realizará una breve charla. 

Os dejo ya con el post. Como siempre, muchas gracias a los que comentaron.






En 2008, dos hombres presentaron una denuncia contra el CERN en el juzgado federal de Hawaii. Se trataba de Walter L. Wagner y Luis Sancho y clamaban que la institución científica podría destruir crear un agujero negro que destruyera el mundo. Incomprensiblemente, estas dos personas eran científicas. Obviamente, la demanda fue desestimada, tal y como se recoge en esta entrada.

Los científicos que denunciaron creían que debido a las altas energías de los choques de partículas se generarían agujeros negros, los cuales son fenómenos que ocurren en densidades de masa casi infinitas. Las partículas generadas en los choques son radiación, e incluso existía el miedo de la radiación de Hawking, el cual es un tipo de actividad generada por los agujeros negros. Sin embargo, se ha demostrado que la energía generada en estas colisiones no es la suficiente para que se den estas barbaridades (se explica en esta entrada, por ejemplo).

No obstante, como las palabras no bastaban para convencer a mucha gente, el CERN decidió tomar una medida sorprendente: adquirir vacas y ponerlas a pastar sobre el túnel!!

El argumento de que estos animales fueran la primera señal de aviso para los temerosos, en caso de que la radiación fuera realmente importante.

Ahora están tal y como se ve en esta foto:




A pesar de eso, todavía hay organizaciones ciudadanas en contra de este centro, como http://www.lhcdefense.org/.

Y no es un caso aislado, ya que lo mismo le ocurre al Fermilab donde los búfalos son uno de los mayores reclamos de este laboratorio.

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Basado en la charla del catedrático de Física, Jose Ignacio Latorre, el 23 de julio en Donostia.


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8/05/2012

Aterrizaje en directo de Curiosity

En menos de 24 horas, se procederá a la maniobra de aterrizaje en Marte del Mars Rover, Curiosity, o tal y como le han llamado también Mars Science Laboratory (MSL). El lanzamiento de la misión se comentó en este post.

He escrito queriendo "se procederá a la maniobra" y no "aterrizará", ya que la mayor incertidumbre de la misión es esa, si será capaz de aterrizar. Para explicar lo complejo de la maniobra, la NASA difundió un vídeo que ha dado mucho que hablar en las redes, denominado Los Siete Minutos del Terror.





No pretendo en este post explicar este sistema, ya que el vídeo lo considero que es suficientemente explicativo. Aún así, hay mucha más información y problemas que pueden surgir, como las comunicaciones entre la Oddisey y la Mars Express, las tormentas de polvo de la superficie de Marte, el correcto equilibrio del sistema de aterrizaje, el ángulo de entrada en la atmósfera... Este post tiene el fin de animaros a que sigáis el evento precisamente. Como prueba de que este evento no es sólo una cosa de unos frikis, es importante saber que se retransmitirá desde las pantallas de Times Square.

A hora española, Curiosity tiene prevista la llegada a las 7.31 de la mañana hora española. Sin embargo, desde mucho antes habrá distintas fuentes y sitios en los que seguir el aterrizaje. Por ejemplo, @edocet, @eurekablog, @wicho y un servidor participaremos en una sesión de chat en directo en www.Amazings.es desde las 6.30 hora penínsular. Para ello, nos apoyaremos en las imágenes que se retransmitan desde la NASA en streaming del acontecimiento. Por cierto, para saber a qué hora en cada país aterriza la sonda, aquí va un buen link.

También, puede ser recomendable seguir el twitter de Curiosity, el de Sondas, y emplear el hashtag #vamosMSL. 

En Internet tenéis mucha información sobre el tema, y me parece algo muy bonito que difícilmente se repetirá en esta década. Una buena fuente de información para saber lo más importante que hay que saber está en el blog http://danielmarin.blogspot.com.es/ de @eurekablog, o este kit de prensa que ha emitido la NASA.
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