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Un equipo de investigadores de la Universidad de Zaragoza (UNIZAR) y del Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS, en Francia) ha desarrollado un “bolómetro centelleador”, un dispositivo con el que los científicos tratarán de detectar la materia oscura del Universo y que se ha probado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Huesca).

“Uno de los desafíos de la Física actual es averiguar la naturaleza de la materia oscura, que aunque parece constituir la cuarta parte de la materia del Universo, no se puede observar directamente; por lo que tratamos de detectarla con prototipos como el que hemos desarrollado”, explica a SINC Eduardo García Abancéns, investigador del Laboratorio de Física Nuclear y Astropartículas de la UNIZAR.

García Abancéns es uno de los científicos del proyecto ROSEBUD (acrónimo de Rare Objects SEarch with Bolometers UndergrounD), una colaboración internacional entre el Institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS-Universidad de París-Sur, en Francia) y la Universidad de Zaragoza, dedicada a la búsqueda de materia oscura en la Vía Láctea.

Para esta misión los científicos trabajan desde hace una década en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Huesca), donde han desarrollado varios detectores criogénicos (operan a temperaturas próximas al 0 absoluto: -273,15° C). El último es un “bolómetro centelleador”, un dispositivo de 46 gramos que, en este caso, incorpora un cristal “centelleador” compuesto de bismuto, germanio y oxígeno (BGO: Bi₄Ge₃O₁₂) que actúa como detector de la materia oscura.

“Esta técnica de detección está basada en la medida simultánea de la luz y el calor producidos en la interacción con el detector de las hipotéticas partículas WIMP (Weakly Interacting Massive Particles: partículas masivas débilmente interactivas que según diversos modelos teóricos explicarían la existencia de la materia oscura)”, indica García Abancéns.

El investigador explica que debido a la diferencia en el centelleo de las distintas partículas, este método permite discriminar las señales que producirían las partículas WIMP de otras producidas por diversos componentes del fondo radioactivo (como las partículas alfa, beta o gamma).

Para medir la minúscula cantidad de calor producido se requiere enfriar el detector a temperaturas próximas al 0 absoluto y para ello se ha instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc una instalación criogénica, blindada con ladrillos de plomo y polietileno, y protegida de la radiación cósmica por su situación bajo el monte Tobazo.

“Las prestaciones del nuevo bolómetro centelleador han sido excelentes, lo que demuestra su viabilidad como detector en experimentos de detección de materia oscura, además de como espectrómetro gamma (aparato que mide ese tipo de radiación) para monitorizar el fondo radiactivo en estos experimentos”, señala García Abancéns.

Actualmente el bolómetro centelleador se encuentra en el Centro Universitario de Orsay (Francia), donde el equipo trabaja en la optimización de la recogida de luz en el dispositivo y realizando pruebas con otros cristales de BGO.

Este trabajo, publicado recientemente en la revista Optical Materials, se enmarca dentro del proyecto europeo EURECA (European Underground Rare Event Calorimeter Array). Con esta iniciativa, en la que participan 16 instituciones europeas (entre ellas la Universidad de Zaragoza y el IAS), se pretende construir un detector criogénico de una tonelada y dedicarlo en la próxima década a la búsqueda de la materia oscura del Universo.

Métodos de detección de materia oscura

Para detectar la materia oscura, que no puede ser observada directamente debido a que no emite radiación, se utilizan métodos de detección directa e indirecta. Dentro de los primeros se incluye la detección simultánea de luz y calor (como la técnica de los bolómetros centelleadores), la detección simultánea de calor e ionización y la detección simultánea de luz e ionización, así como la investigación de señales distintivas (el caso más notable es la búsqueda de una modulación anual en la señal de la materia oscura debida al movimiento de traslación de la Tierra).

También existen métodos de detección indirecta, donde en lugar de buscar directamente las partículas de materia oscura, los investigadores tratan de detectar otras partículas (neutrinos, fotones,…) producidas como consecuencia de la aniquilación de las propias partículas de materia

Fuente: Sinc. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Recientes imágenes de cráteres de impacto tomadas por la cámara HiRISE del Mars Reconnaissance Orbiter revelaron hielo de agua sub-superficial a medio camino entre el Polo Norte y el ecuador de Marte. Luego de que el módulo de aterrizaje Phoenix fotografiara hielo subterráneo en el lugar en que la capa superior del suelo fue alterada en el sitio de aterrizaje cerca del polo norte, estas nuevas imágenes —tomadas en rápida sucesión, con lo que se observa cómo se sublima el hielo— son las primeras que muestran evidencia de agua helada en latitudes mucho más cercanas al ecuador. Como sorpresa, el hielo blanco puede estar compuesto de un 99 por ciento de agua pura

“Sabíamos que no había hielo debajo de la superficie a altas latitudes de Marte, pero creemos que se extiende mucho más cerca del ecuador de lo que se podría pensar, en base en el clima de Marte hoy en día”, dijo Shane Byrne, de la Universidad de Arizona, un miembro del equipo de la cámara HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment, o Experimento Científico de toma de Imágenes de Alta Resolución).

“El otro sorprendente descubrimiento es que el hielo expuesto en la parte inferior de estos cráteres de impacto de meteorito sea tan pura”, dijo Byrne. “Se pensaba antes que el hielo se acumula debajo de la superficie entre los granos del suelo, por lo que sería una mezcla de 50-50 de polvo y hielo. Pudimos averiguar, teniendo en cuenta el tiempo que le tomó al hielo desaparecer de la vista, que la la mezcla es de aproximadamente uno por ciento de polvo y 99 por ciento de hielo “.

Los científicos utilizaron varios instrumentos de la nave MRO para tomar una serie de imágenes, detectar el brillante hielo expuesto en los nuevos cráteres y confirmar su alta pureza. Lo cráteres son de tamaños que van desde 1,5 a 8 metros de profundidad, en cinco sitios diferentes de Marte.

Earlier and later HiRISE images of a fresh meteorite crater 12 meters, or 40 feet, across located within Arcadia Planitia on Mars show how water ice excavated at the crater faded with time. The images, each 35 meters, or 115 feet across, were taken in November 2008 and January 2009. Credit: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

Las imágenes fueron tomadas en la región de Arcadia Planitia, ubicado al noroeste de la región de Tharsis en las tierras bajas del norte, a 40-60 ° Norte y 150-180 ° Oeste. Las imágenes de HiRISE tomadas antes y después muestran un fresco cráter de meteorito de 12 metros, y revelan cómo se desvaneció con el tiempo el hielo de agua expuesto en el cráter. Las imágenes, de 35 metros de ancho, se tomaron en noviembre de 2008 y enero de 2009.

El descubrimiento de estos “blancos” cráteres de impacto comnezó en agosto de 2008, cuando el equipo de la cámara de Context de la nave examinaron sus imágenes buscando manchas u otros cambios que no fueran visibles en las imágenes anteriores de la misma zona. Los meteoritos suelen dejar marcas oscuras cuando se estrellan contra el terreno cubierto de polvo de Marte. En septiembre de 2008, el equipo de HiRISE siguió tomando imágenes de alta resolución de las manchas oscuras.

“Vimos algo muy inusual al hacer un seguimiento de la primera de estas cráteres de impacto”, dijo Byrne, “y era este material de color azul brillante asomando desde el fondo del cráter. Se parecía mucho al hielo de agua. Y, por supuesto , cuando se inició el seguimiento de este material, se desvaneció como se esperaría que desapareciera un hielo de agua, porque el hielo de agua es inestable en la superficie de Marte y se convierte directamente en vapor en la atmósfera “.

Unos días más tarde, en septiembre de 2008, el equip “CRISM” de la nave utilizó su Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer y tiene la firma espectral de hielo de agua expuesto en uno de los cráteres de impacto, además de alzarse con el descubrimiento.

“Todo esto tuvo que ocurrir muy rápidamente, porque 200 días después de que viésemos por primera vez el hielo, éste se había ido, estaba del color de la tierra”, dijo Byrne. “Si hubiéramos tenido imágenes del HiRISE de apenas unos meses después, no habríamos notado nada raro. Nos hubiésemos pasado por alto este descubrimiento”.

Hasta qué punto se extiende el hielo de agua hacia el ecuador depende en gran medida de la cantidad de agua disponible en la atmósfera marciana en un pasado reciente, dijo Byrne: “El hielo es una reliquia de un clima más húmedo no hace mucho tiempo, tal vez sólo varios miles de años atrás”.

Si bien el descubrimiento hecho por la Phoenix de hielo sub-superficial no fue totalmente inesperado, el hallazgo de hielo de alta pureza más cerca del ecuador, a causa de azarosos impactos de meteoritos, fue inesperado, dijo.

Existen varias teorías acerca de cómo se puede haber formado una capa de hielo puro por debajo de la superficie de Marte. Byrne dice que él cree que una de las ideas más prometedoras es que este hielo en Marte se formó en la misma forma que las capas de hielo puro bajo la superficie de la Tierra.

Es donde hay películas muy delgadas de agua líquida en torno a los granos de hielo y tierra, que emigran para formar lentes de hielo transparente en la parte superior de la capa de hielo, incluso a temperaturas bajo cero. Este proceso se llama “levantamiento por congelación” en la Tierra , y es considerado una molestia en la mayoría de los sitios donde se produce, ya que agrieta las carreteras, inclina las paredes y destruye los cimientos de las casas.

“Pero en Marte sería de gran interés si podemos descubrir un proceso donde el agua líquida participa en el clima actual, y no sólo en algunas de las zonas más cálidas del planeta, sino en algunas de las zonas más frías del planeta en regiones de latitud alta”, dijo Byrne.

Fuente: Universe Today. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Fuente: Aportado por Eduardo J. Carletti

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Se observó una fantasmal acción a distancia en superconductores suficientemente grandes como para que se los vea a simple vista

Enlazando las corrientes eléctricas de dos superconductores suficientemente grandes como para verlos a simple vista, los investigadores han extendido el dominio de los efectos cuánticos observados. Miles de millones de electrones que fluyen por los superconductores pueden exhibir colectvamente una extraña propiedad cuántica que se conoce como entrelazamiento, normalmente confinada al reino de las partículas, informan los científicos en el ejemplar del 24 de septiembre de Nature.

“Es un apasionante trabajo”, comenta el físico Steven Girvin de la Universidad de Yale. “La gente está interesada en ampliar los límites de la mecánica cuántica”.

El entrelazamiento es una de las consecuencias más extrañas de la mecánica cuántica. Tras interactuar en alguna forma, los objetos quedan misteriosamente vinculados, o entrelazados, de modo que lo que sucede a uno parece afectar al otro. Mayormente, los investigadores sólo han encontrado signos de entrelazamiento entre pequeñas partículas, como iones, átomos y fotones.

John Martinis, y sus colegas de la Universidad de California en Santa Barbara, buscaron lograr un entrelazamiento entre dos superconductores, los dos de un tamaño de menos de un milímetro. Estos circuitos superconductores de aluminio quedaron separados unos pocos milímetros sobre un chip electrónico. A bajas temperaturas, los electrones fluyen de forma colectiva por los superconductores, sin ser obstaculizados por la resistencia eléctrica.

A pesar de que los superconductores tienen, relativamente, un gran tamaño, los electrones en su interior se mueven juntos en forma coherente. “Tienen muy pocas partes móviles, por así decirlo”, comenta Girvin, que ayudó a los científicos a observar las evidencias del entrelazamiento. “Es un hecho general que cuanto más grande es un objeto más clásico es su comportamiento y más difícil ver los efectos mecánicocuánticos”.

En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron un pulso de microondas para entrelazar las corrientes eléctricas de los superconductores. Si las corrientes se vinculaban mecanocuánticamente, una corriente fluiría en el sentido de las agujas del reloj en el momento de la medida (a la que se le asignó el valor 0), mientras que la otra fluiría en sentido antihorario en el momento de la medición (a la que se le asignó el valor 1), dijo Martinis. Por el otro lado, las direcciones de las corrientes serían completamente independientes si estuviesen bajo las reglas de la física cotidiana y clásica.

Tras el intento de entrelazar los circuitos superconductores, Martinis y su equipo midieron la dirección de las corrientes 34,1 millones de veces. Cuando una corriente fluía en sentido horario (medida como cero), el equipo halló que la otra fluía en sentido antihorario (medida como uno) con una muy alta probabilidad. Esto indica que estaban enlazados de una forma que sólo se puede explicar con la mecánica cuántica.

“Tiene que estar en este extraño estado cuántico para lograr estas particulares probabilidades que medimos”, dice Martinis. “Los porcentajes de esas cosas diferentes no son algo que se puede predecir de forma clásica”.

El hallazgo de entrelazamiento entre superconductores es “un muy importante hito”, comenta Anthony Leggett de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Este nuevo estudio parece ser una prueba no ambigüa de entrelazamiento, dijo.

Estos superconductores entrelazados se podrían usar como componentes en un poderoso ordenador cuántico, dice Leggett. “Hay mucho interés en la posibilidad de construir un computador cuántico”, y este tipo de sistemas puede ser muy bueno para ese fin, comenta.

Martinis dice que la tecnología que se usa para construir circuitos eléctricos avanzados también se puede usar para hacer circuitos cuánticos. “La esperanza es que dado que sabemos cómo disponer circuitos en formas complejas, puede ser que logremos fabricar circuitos cuánticos muy complejos de la misma forma”.

Advierte que, sin embargo, está muy lejos que se logre hacer un buen ordenador cuántico. Los investigadores tienen que encontrar la forma de que los circuitos superconductores entrelazados duren más tiempo. Y un buen ordenador cuántico requerirá más que dos circuitos. Martinis dice que su grupo intentará entrelazar tres y cuatro de estos circuitos próximamente.

Además de aportar avances tecnológicos, el nuevo resultado se agrega al debate sobre dónde está ubicada la línea que separa la mecánica cuántica y la física cotidiana que gobierna los fenómenos a gran escala. Los investigadores quieren saber cuán lejos puede llegar la extrañeza cuántica.

“Es interesante probar la mecánica cuántica a gran escala”, dice Girvin. “¿Parecen clásicas las cosas a gran escala porque hay algo equivocado en la mecánica cuántica? Personalmente creo que está equivocada, pero uno nunca sabe”.

Fuente: Science News. Aportado por Eduardo J. Carletti

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