La gemela solar se localiza en el hemisferio norte celeste, en la constelación del Dragón o Draco, a mitad del trayecto entre las estrellas Alpha Ursa Majoris y Polar, esta última, famosa por utilizarse desde la antigüedad como guía para la navegación. La HIP 56948, en ocasiones denominada HD 101364, se encuentra a 200 años luz de la Tierra, algo equivalente a 12,6 millones de veces más lejos que el Sol. Antes del primer estudio comparativo entre la HIP 56948 y el Sol, realizado en 2007, la mayor aspirante a ser considerada un clon de nuestra estrella era la 18 Scorpii, ubicada en la constelación boreal de Escorpio. A 45 años luz de distancia de la Tierra, esa estrella fue descrita como una gemela del Sol en 1997 por el astrofísico Gustavo Porto de Mello, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ). “Estamos erigiendo una pequeña tradición en Brasil por estudiar gemelas”, afirma Porto de Mello, quien no participó en el trabajo sobre la estrella de la constelación de Draco.

Más allá de las similitudes físicas y químicas con el Sol, los test con la HIP 56948 revelaron otra interesante característica en sus alrededores. Las condiciones en torno al astro parecen ser compatibles con la existencia de un conjunto de planetas con una disposición similar a la del sistema solar, donde pequeños mundos rocosos se ubican cerca de la estrella y grandes planetas gaseosos ocupan la zona periférica. Este aparente punto en común con el Sol convierte, en teoría, a la HIP 56948 en una buena aspirante a albergar en sus cercanías planetas semejantes a la Tierra, a pesar de que aún no se ha descubierto ningún mundo extrasolar en su entorno. Estas conclusiones forman parte de un estudio coordinado por el astrofísico de la USP y aceptado para su publicación en la revista científica Astronomy & Astrophysics.

No existe una definición exacta acerca de qué es una gemela solar. Sigue siendo un tema en debate hasta qué punto una estrella debe ser idéntica o muy similar al Sol para recibir esa denominación. Algunas estrellas son parecidas al Sol cuando se analizan ciertos parámetros, pero distintas en otros aspectos. A medida que los astrofísicos obtienen mayor cantidad de datos sobre las estrellas, las similitudes y diferencias se hacen más evidentes. Por una cuestión práctica y debido a limitaciones en el instrumental disponible actualmente, la búsqueda de gemelas solares se concentra en un área celeste ubicada a un máximo de 300 años luz de la Tierra, donde, según la proyección de los astrofísicos, existirían algunas decenas de gemelas solares. Esta zona representa una porción ínfima del Universo. Pero es necesario comenzar la búsqueda por lo más cercano.

En el caso de la HIP 56948, los puntos en común entre ambos astros son asombrosos. La comparación de una serie de parámetros importantes revela una especie de empate técnico entre estas estrellas. La masa de HIP 56948 es, por ejemplo, tan sólo un 2% mayor que la del Sol, dentro de un margen de error en la medición realizada por Meléndez y sus colaboradores, también del 2%. Su radio es de 687 mil kilómetros, un 1,3% menor que el de Sol. La temperatura promedio en la superficie de ambas –en su capa más externa, que les confiere su tono amarillento– es casi la misma. Difiere un 0,3%. La de la gemela solar es de 5.521 ºC, 17 ºC superior a la del Sol. En comparación, la temperatura de la 18 Scorpii, la segunda gemela más parecida a nuestra estrella madre, es 54 ºC mayor. La diferencia de brillo real de HIP y del Sol resulta casi imperceptible. La gemela es un 1,4% menos luminosa.

Pese a todos estos rasgos casi idénticos, ambas estrellas presentan una diferencia de edad significativa, de aproximadamente mil millones de años, según los cálculos más recientes de los investigadores. Son como gemelas, aunque pertenecientes a generaciones distintas. El Sol tiene 4.570 millones de años, mientras que HIP, 3.520 millones de años. “Eso desde ningún punto de vista es malo”, dice el astrofísico Ivan Ramirez, de la Universidad de Texas, otro de los autores del artículo. “Sucede que podemos estudiar cómo era la evolución del Sol hace mil millones de años”. Existe un problema extra en lo que atañe a ese parámetro. “Determinar la edad de una estrella es algo notoriamente complejo”, pondera Martin Asplund, de la Universidad Nacional de Australia, otro astrofísico que firmó el trabajo publicado en la revista A & A. “Es posible que HIP 56948 cuente casi con la misma edad del Sol”. O incluso que sea más antigua que nuestra estrella madre, una idea sostenida por otros estudios científicos, aun en un paper más antiguo de Meléndez quien, sin embargo, se basaba en datos de inferior calidad. El margen de error para ese parámetro es bastante mayor que para otras propiedades estelares.

HIP 56948 exhibe una firma química similar en gran medida a la peculiar composición del Sol, menos rico en ciertos metales si se lo compara con otros tipos de estrellas. La gemela solar también posee deficiencia en ciertos elementos, tales como níquel y hierro, aunque en un grado que varía entre un 2% y un 3% menos acentuado que nuestra estrella. Una corriente de astrofísicos, entre ellos el investigador de la USP, considera que el déficit de algunos metales en la composición del Sol puede estar relacionado con el proceso de formación de los planetas a su alrededor. Para los que suscriben esa interpretación, una porción del material presente en la nube primordial de gas que originó al Sol se condensó en forma de polvo y posteriormente originó las estructuras mayores que formaron los planetas, sobre todo los rocosos (Mercurio, Venus, Tierra y Marte). De esa manera, según esa corriente de razonamiento, nuestra estrella “perdió” una fracción de su materia prima para dar origen a los planetas de su entorno. Por eso acabó con una cantidad menor de algunos metales en relación con el patrón usual de esos elementos, que se evidencia en otras estrellas.

Si esa hipótesis estuviera en lo cierto, la mejor gemela solar conocida puede albergar un sistema planetario análogo al nuestro. “Especulamos con que la HIP 56948 quizá posea un sistema planetario gemelo al del Sol”, afirma Meléndez. Por el momento, los investigadores no hallaron ningún mundo gigante y gaseoso, del tipo de Júpiter, en las órbitas más cercanas o en la denominada zona habitable alrededor de la estrella, la región en que, en función de las condiciones locales de temperatura, podrían, en teoría, prosperar formas de vida según el modelo existente en la Tierra. En la búsqueda de nuevos mundos en las cercanías de esa estrella, se utilizaron los datos suministrados por los observatorios estadounidenses de Keck, en Hawai, y McDonald, en Texas.

Parece ser una mala noticia, pero no es así. Si existiera un enorme planeta gaseoso en las cercanías de HIP 56948, la posibilidad de que exista ahí un pequeño mundo rocoso, similar a la Tierra, sería casi nula. Debido al juego de las interacciones gravitatorias, los planetas de gran porte, cuando se encuentran ubicados en las proximidades de su estrella, tienden a provocar la destrucción de los mundos menores, que son expulsados hacia el exterior del sistema o hacia el abrasador interior del astro luminoso. En consecuencia, el hecho de no haber hallado un Júpiter cálido, tal como se denomina a los planetas situados en las zonas cálidas cercanas a las estrellas, fue motivo de alivio para los investigadores.

El método utilizado para buscar planetas en los alrededores de la gemela solar fue el de la velocidad radial, la técnica más tradicional utilizada para ese fin desde mediados de los años 1990, cuando se descubrió el primer planeta extrasolar. Desde entonces, la mayoría de los casi 700 exoplanetas conocidos se ha identificado mediante ese recurso. La velocidad radial mide el efecto gravitatorio ejercido periódicamente por un planeta al pasar muy cerca de su estrella. A grandes rasgos, la presencia del planeta provoca que la estrella sufra oscilaciones o perturbaciones en su órbita. Cuanto mayor sea el planeta que gira a su alrededor, mayor será el sacudón apreciado en la estrella. “Con el instrumental actual disponible, solamente logramos detectar planetas 10 veces mayores que la Tierra”, comenta Meléndez, quien recientemente obtuvo autorización para utilizar durante 88 noches las instalaciones del Observatorio Europeo del Sur (ESO), en Chile, para observar gemelas solares.

Las nuevas mediciones ratificaron el estatus de la HIP 56948 como el astro conocido más parecido al Sol. No obstante, existe un aspecto en que 18 Scorpii, la estrella que fue destronada hace cinco años por HIP 56948 de la condición de mejor gemela solar, se muestra más similar al Sol. “No hay una estrella que sea un clon perfecto del Sol. Según los parámetros que adoptamos como referencia, una u otra estrella puede parecerse más al Sol”, afirma el astrofísico José Dias do Nascimento Jr, de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN), otro expertos en gemelas solares. “Si, por ejemplo, tomamos en cuenta básicamente las características del campo magnético, la 18 Scorpii es más parecida al Sol que HIP 56948”.

Nuestra estrella presenta un ciclo magnético más o menos regular. Cada 11 años, el Sol atraviesa un período de máxima actividad, signado por la aparición de un mayor número de manchas en su superficie, vistosas eyecciones de materia de su corona (el equivalente a su “atmósfera”) y una variedad de explosiones. Los picos de actividad solar son tan fuertes que afectan la vida en la Tierra. El clima puede alterarse, y pueden sufrir interrupciones las comunicaciones satelitales y las redes de transmisión de electricidad. El ciclo magnético de la 18 Scorpii, cuya edad estimada de 4.200 millones de años es bastante cercana a la del Sol, es de alrededor de siete años. “Todavía puede considerársela una notable gemela solar”, dice Gustavo Porto de Mello, de la UFRJ.

Aún no se conoce cuál es el patrón de actividad energética de la HIP 56948, cuyos estudios comenzaron más recientemente. Es posible que su ciclo magnético observe una periodicidad de entre cinco y diez años. “Si la actividad magnética en ella fuera extremadamente intensa, la posibilidad de que existan planetas con buenas condiciones para la vida en torno de la estrella resultan menores”, afirma Nascimento Jr. Con todo, en opinión de Meléndez, los datos preliminares sugieren que ese parámetro en la HIP 56948 es similar al del Sol. “En el fondo, intentamos descubrir si las estrellas muy similares al Sol tienden a reproducir sistemas planetarios semejantes al nuestro. Si esa relación existe, hallar gemelas solares puede ser una forma de descubrir planetas similares a la Tierra”, dice Porto de Mello.

 Artículo científico
Meléndez, J. et al. The remarkable solar twin HIP 56948: a prime target in the quest for other Earths. Astronomy & Astrophysics. En prensa, 2012.

El Proyecto
La influencia de la formación de planetas en la composición química de estrellas del tipo solar
Modalidad
Apoyo regular a proyecto de investigación
Coordinador
Jorge Meléndez – IAG-USP
Inversión
R$ 184.263,76 (FAPESP)

En los próximos cinco meses, el mayor acelerador de partículas del mundo, el Large Hadron Collider (LHC), emplazado en la frontera entre Francia y Suiza, funcionará a todo vapor para producir algo más que una montaña de datos e intentar revelar la real identidad de la más reciente partícula elemental descubierta por los físicos. El pasado 4 de julio, en el marco de la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías, el evento anual más importante de la física de partículas, investigadores de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern), a la que se encuentra vinculado el LHC, anunciaron haber hallado una nueva partícula elemental que, según todo indica, sería el bosón de Higgs, la pieza que faltaba para completar una exitosa teoría física denominada Modelo Estándar. Esa teoría explica de qué está hecha la materia y cómo se comporta a nivel subatómico. “Éste es el momento más fascinante de la física de partículas desde los años 1970”, declaró a la revista Pesquisa FAPESP el físico Joseph Incandela, coordinador de uno de los experimentos en el LHC.

Hasta el final de este año, el LHC provocará la colisión de otros 3 trillones de protones acelerados a velocidades cercanas a la de la luz en el interior de un anillo de 27 kilómetros de circunferencia construido a 100 metros bajo tierra para intentar caracterizar detalladamente la nueva partícula. Aunque parezca un contrasentido, los físicos anhelan que los datos recogidos revelen que la partícula recientemente identificada, aunque sea el mentado bosón de Higgs, no se comporte según lo que esperaban. El motivo de esto reside en que, si eso ocurriera, por primera vez en 40 años ellos habrán descubierto algo realmente inusitado para la física y lograrán avanzar algo más en la comprensión de cómo se desarrolló el Universo en sus primeros instantes de vida. No obstante, si esa partícula se comporta exactamente como imaginaron, habrán llegado a un callejón sin salida: el Modelo Estándar será confirmado, pero no habrá más pistas sobre cómo perfeccionarlo para responder a las inquietudes aún sin respuesta sobre el Universo.

El Modelo Estándar completo, solamente explica la existencia de un 4% de aquello que forma el Cosmos. Pero no brinda datos sobre el origen del 23% de materia oscura y del 73% de energía oscura que necesitan existir para que el Universo sea tal como se imagina que es. Además, el Modelo Estándar prácticamente no aporta información sobre qué habría ocurrido durante el primer segundo posterior al Big Bang, la explosión que habría dado origen al Universo hace 13.700 millones de años. En ese instante misterioso surgieron las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza –la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte, originadas probablemente de una única fuerza inicial– que permitieron la formación de la materia.

Para aclarar un poco más acerca de lo sucedido en ese precioso segundo, los físicos desarrollaron teorías que expanden el Modelo Estándar y prevén la existencia de otras partículas. Como por ahora ninguna de esas partículas ha sido detectada, no se sabe cuál de las principales candidatas –las teorías de la supersimetría, de los modelos compuestos y de las dimensiones extras– es la correcta. La expectativa de los físicos reside en que, al definir las características del bosón de Higgs o al encontrar una nueva partícula, puedan hallar evidencias que favorezcan alguna de esas proposiciones.

Buscado desde hace al menos tres décadas, el bosón de Higgs constituye la pieza clave del Modelo Estándar. Este modelo, desarrollado durante los años 1960, describe lo que sucede cuando las partículas subatómicas son aceleradas casi hasta la velocidad de la luz y colisionan entre sí, tal como ocurre en el LHC. Según la famosa ecuación de Einstein, que establece que la energía es equivalente al producto de la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (E=mc²), la energía resultante de esas colisiones puede convertirse en masa, produciendo, como por arte de magia, el surgimiento en el vacío de nuevas partículas. Por regla general, las partículas masivas viven fracciones de segundo, rápidamente decaen, o sea, se transforman en una cascada de partículas más livianas que dejan rastros en detectores como por ejemplo el CMS y el Atlas del LHC, cuya construcción costó alrededor de 9 mil millones de dólares (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 147).

El resultado de esos decaimientos puede calcularse mediante las ecuaciones del Modelo Estándar, cuyas propiedades matemáticas determinan cómo interactúan las partículas. Al comienzo de su desarrollo, esas ecuaciones parecían funcionar muy bien, excepto por un detalle: consideraban que todas las partículas deberían ser similares a los fotones, que no tienen masa y, por ende, viajan siempre a la velocidad de la luz. Si efectivamente ocurriera eso con todas las partículas, el mundo tal como se lo conoce no existiría, pues ellas nunca estarían en reposo, lo cual permite la existencia de los átomos. Para compensar este detalle teórico crucial, Peter Higgs y otros físicos propusieron en 1964 la existencia de un campo de fuerza que atravesaría todo el espacio e interactuaría con diferentes intensidades con cada tipo de partícula, dotándolas de masas distintas. La prueba de que ese campo existe sería el descubrimiento de una partícula emergente durante colisiones de alta energía: el bosón de Higgs, que aparentemente ahora ha sido encontrado en el Cern.

“Todo lo que medimos hasta ahora nos conduce a creer que hemos descubierto el bosón de Higgs”, afirma el físico Sérgio Novaes, líder de un grupo de investigadores del Instituto de Física Teórica de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) y de la Universidad Federal del ABC que, con financiación de la FAPESP, colabora en el análisis de los datos aportados por el detector CMS.

Tanto el CMS como el Atlas obtuvieron ahora señales de que existe un nuevo bosón con una masa entre 125 y 126 gigaelectronvoltios (GeV), donde un GeV equivale a mil millones de electronvoltios, la unidad de energía que se utiliza para medir la masa de las partículas. La probabilidad de que la señal medida sea fruto del azar es de una en 3,5 millones. La nueva partícula también parece decaer tal como predice el Modelo Estándar, pero los investigadores deben analizar muchas más colisiones para determinar, con el mismo nivel de certeza, tanto el patrón de desintegración como otras propiedades del bosón. Incandela estima que el LHC logrará determinar esas características de la nueva partícula con mayor precisión hacia finales del año. Las dudas disminuirán todavía más a partir de 2015, cuando el LHC retomará su actividad luego de pasar dos años desconectado para realizarle ajustes que elevarán la energía de sus colisiones desde 8 hasta 13 teraelectronvoltios (TeV) aumentando 10 veces la cantidad de colisiones acumuladas para 2018.

Si se confirmaran los datos, el bosón de Higgs será la primera partícula elemental de una clase especial, enigmática para los teóricos. “Esta clase de partículas es un tanto misteriosa, pues su masa resulta muy difícil de estabilizar”, comenta Incandela, señalando el talón de Aquiles del Modelo Estándar, conocido como el problema de la jerarquía.

Este problema surge cuando se asume que el Modelo Estándar es una teoría que explica cómo interactúan las partículas y las fuerzas desde el instante inicial del Universo, el momento cero de la creación, cuando los niveles de energía eran billones de veces mayores que los alcanzados en el LHC, algo que en física se denomina escala de Planck, la mayor energía que podría existir en el Universo. En tales condiciones, la fuerza gravitatoria, que en general no afecta a las partículas por ser mucho menos intensa que las otras tres fuerzas, comienza a hacerse sentir. Al esbozar esa suposición, la teoría predice que ciertas interacciones del bosón de Higgs –consigo mismo y con las demás partículas– provocarían que su masa creciera violentamente hasta ser muchas veces mayor de lo que se esperaría observar. El Modelo Estándar sólo prevé la masa correcta del Higgs cuando se asume que algún efecto desconocido contrabalancea la espectacular ganancia de masa.

Para muchos físicos, la naturaleza de ese efecto podría revelarse en colisiones de partículas realizadas en el rango de energía que el LHC investiga actualmente. Luego de la búsqueda del bosón de Higgs –apodado, a disgusto de los físicos, como “partícula de Dios”, por sugerencia del editor del libro de 1993 del físico León Lederman y del divulgador científico Dick Teresi, cuyo título se modificó de The Goddamn Particle, en The God Particle–, ése constituyó el motivo principal para construir el LHC. “El problema de la jerarquía organiza nuestro pensamiento acerca de por qué y cómo extender el Modelo Estándar”, sostiene Gustavo Burdman, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP).

La búsqueda de una solución para el problema de la jerarquía es lo que impulsa desde hace décadas el trabajo de los físicos teóricos. Ellos intentan explicar tal efecto de diferentes maneras según las teorías de la supersimetría, de los modelos compuestos y de las dimensiones extras. Cada una aporta una estrategia para estabilizar la masa del bosón de Higgs.

Por mucho, la postulante más estudiada es la supersimetría. Esta teoría predice que, por cada partícula del Modelo Estándar, existiría otra partícula, denominada compañera supersimétrica o supercompañera. Las partículas supersimétricas sustraen parte de la masa del bosón de Higgs, en la misma proporción en que las partículas del Modelo Estándar incrementan la masa del mismo, eliminando, de tal modo, el problema de la jerarquía.

La supersimetría se popularizó entre los físicos por su elegancia matemática, que facilita los cálculos y aporta soluciones no sólo para el problema de la jerarquía. Las supercompañeras más livianas son perfectas candidatas para constituir la materia oscura. Además, la supersimetría posibilita la unificación de las fuerzas electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil del Modelo Estándar en una escala de energía cercana a la que reinaba en los primeros instantes luego del Big Bang (obsérvese la infografía ubicada en la parte superior).

La existencia de la supersimetría resulta necesaria para la consistencia de la teoría de las supercuerdas, que intenta unificar todas las fuerzas, incluso la gravitatoria. “Se trata de una bella teoría, con muy buenas propiedades; si existiera sería algo interesante”, comenta el físico Oscar Éboli, de la USP, quien busca evidencias de supersimetría en los datos del LHC.

Existen innumerables versiones de la supersimetría. Los modelos más sencillos preveían que ni bien se activara el LHC, en 2008, las supercompañeras aparecerían profusamente. Pero hasta ahora no se han detectado señales de éstas. Peor aún, la masa de lo que parece ser el bosón de Higgs es mayor que la prevista en esos modelos. “Los modelos más obvios se hallan en una coyuntura extremadamente difícil”, dice Éboli. Esto significa que la teoría podría ser bastante más complicada y las masas de las supercompañeras, mayores de lo que se pensaba. “Cuanto mayor es la masa, menor es el interés de ciertas áreas de la física, ya que no explica el problema de la jerarquía”, dice Ricardo Matheus, docente del Instituto de Física Teórica de la Unesp.

Debido a esta falta de evidencias, las teorías alternativas a la supersimetría están siendo más investigadas en los últimos años. Una de ellas es la de los modelos compuestos, que afirma que el bosón de Higgs y posiblemente otras partículas del Modelo Estándar son compuestos de partículas aún más elementales. El hecho de que el bosón de Higgs esté formado por otras partículas modificaría sus propiedades, eliminando el efecto acumulador de masa que provoca el problema de la jerarquía.

Empero, si esa teoría fuera acertada, la historia de la física se repetirá otra vez. Hasta los años 1960 se creía que los protones, neutrones y otras partículas, tales como el pión, descubierto por el brasileño César Lattes en 1947, eran elementales. Con la aceptación del Modelo Estándar, quedó claro que éstas estaban compuestas por partículas aún más básicas: los quarks. Tal como en la supersimetría, los modelos compuestos prevén la existencia de nuevas partículas, todavía no observadas; y algunas versiones de estos modelos ya fueron descartadas. “Los modelos compuestos se contraponen con los datos desde hace tiempo”, dice Incandela, “pero no podemos descartarlos completamente”.

Otra solución para el problema de la jerarquía reside en la existencia de dimensiones espaciales extras, aunque todavía se trata de una posibilidad no comprobada experimentalmente. Estas dimensiones, difíciles de observar incluso por parte de los físicos, podrían, en primera instancia, detectarse en el LHC, ya que las partículas responsables de la fuerza gravitatoria, los gravitones, existen en niveles de energía del orden de los teraelectronvoltios. Para que así fuese, la energía del instante cero del Big Bang debería ser billones de veces menor que la que se calcula que haya sido. En otras palabras, la escala de Planck sería errónea y el bosón de Higgs no acumularía masa al haber alcanzado ya su mayor masa posible. Una de las consecuencias de tal teoría es que el Universo sería un segundo más joven.

El grupo de Novaes ha buscado señales de dimensiones extras en los datos recabados por el detector DZero, del recientemente desactivado acelerador estadounidense Tevatron, y por el LHC. En marzo de este año, los colaboradores de DZero publicaron en la revista Physical Review Letters un análisis llevado a cabo por Angelo Santos, alumno de doctorado de Novaes, que establece los primeros límites experimentales a la existencia de cierto modelo de dimensión extra.

Tanto el Tevatron como el LHC, sin embargo, descartaron dimensiones extras lo suficientemente grandes como para percibírselas con energías de hasta 2 TeV. Es posible que, al aumentar la energía de las colisiones, en el LHC se encuentren durante los próximos años evidencias de la existencia de dimensiones extras menores. Con todo, muchas de las teorías de dimensiones extras formulan previsiones casi idénticas a las de los modelos compuestos, lo cual no permitiría distinguir una de otra. “Se trata de uno de los próximos debates”, sospecha Burdman.

“Todavía no observamos nada que se halle significativamente en desacuerdo con las expectativas de un Higgs del Modelo Estándar”, comenta Incandela al respecto de los resultados presentados el 4 de julio. No obstante, reconoce que hay algunos signos de que el bosón de Higgs puede no estar comportándose tal como se esperaba. “Estos indicios pueden convertirse en algo significativo hasta fin de año, aunque también pueden fácilmente desaparecer”, agrega.

Por ahora, el indicio más sorprendente es la transformación del nuevo bosón en pares de fotones, que parece ocurrir en una proporción mayor que la esperada. El Modelo Estándar prevé en qué partículas puede transformarse el bosón de Higgs y con qué frecuencia aparece cada una de ellas.

En un análisis que publicaron un día después del anuncio del descubrimiento, Éboli y colegas de Estados Unidos y España también revelaron que la producción del probable bosón de Higgs en el LHC es alrededor de la mitad de la prevista por el Modelo Estándar.

Varios trabajos publicados a partir del 4 de julio especulan que, tanto el exceso de fotones como la escasa producción de bosones de Higgs son producto de la influencia de partículas supercompañeras. Éboli compara la confirmación de estos indicios con un test destinado a verificar si una moneda es falsa o no, donde, una vez arrojada hacia arriba, cuenta con la misma posibilidad de caer de cara o cruz. “Si una moneda se arroja 10 veces hacia arriba y se obtienen 7 caras y 3 cruces, se podría decir que hay una leve probabilidad de que sea falsa”, comenta. Esta hipótesis sólo puede confirmarse realmente si la moneda fuera arrojada muchas más veces. Por el mismo motivo, sólo será posible confirmar si el decaimiento del bosón en fotones está ocurriendo en una tasa anormal de analizarse muchas más colisiones. “El error experimental en los decaimientos todavía es grande y necesitamos recabar más datos para verificar si se trata del bosón de Higgs del Modelo Estándar”, comenta Éboli.

“El rol de los teóricos para este año, consiste en prestar atención a los datos y contestar rápidamente”, dice Matheus, de la Unesp, quien compara la actual coyuntura de los físicos con la de Cristóbal Colón antes de descubrir América. Burdman coincide: “La física puede cambiar de un día para otro”

Artículos científicos
ABAZOV, V. M. et al. Search for Universal Extra Dimensions in pp- Collisions. Physical Review Letters. 30 mar. 2012.
CORBETT, T. et al. Constraining anomalous Higgs interactions.

http://arxiv.org/pdf/1207.1344.pdf.

 El proyecto
Centro Regional de Análisis de São Paulo – n° 2008/ 02799-8

 Modalidad
Apoyo Regular al Proyecto de Investigación

Coordinador
Sergio F. Novaes – Unesp

 Inversión
R$ 2.023.838,68 (FAPESP)

No resulta difícil originar un agujero negro cualquiera. Toda estrella con la masa suficiente, al agotar su combustible, hace implosión bajo su propio peso y se convierte en uno. Se trata de un objeto cuya gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de su superficie.

Ocurre que las estrellas con mayor masa conocidas actualmente poseen alrededor de 150 veces la masa del Sol. Antes de convertirse en un agujero negro, las estrellas de ese tipo –las gigantes azules– explotan como supernovas y pierden buena parte de su masa original. En la mejor de las hipótesis, queda un agujero negro con algunas decenas de masas solares. ¿Cómo llegar a los millones de soles de los agujeros negros del centro de las galaxias?

Según los astrofísicos Eduardo dos Santos Pereira y Oswaldo Miranda, del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe), con sede en São José dos Campos, en el interior paulista, circunstancias especiales del pasado cósmico habrían permitido el surgimiento de estos colosos. En primer lugar, en sus albores, el Universo posibilitaba la formación de estrellas bastante mayores que las actuales. Esas estrellas con masa muy elevada serían perfectamente capaces de generar los embriones de los actuales glotones galácticos, que, en el transcurso de miles de millones de años, aumentarían su masa tragándose objetos que cayeran en su creciente campo gravitatorio.

Este proceso, conocido con el nombre de acreción, ya poseía algún consenso entre los astrofísicos. No obstante, siempre fue utilizado con cierta arbitrariedad. “La cuestión del crecimiento de los agujeros por acreción siempre fue tratada de manera un tanto ad hoc”, dice Miranda. “Los investigadores determinan un índice de acreción de masa y lo ajustan para alcanzar la masa que los agujeros negros deberían tener ahora”.

La gran novedad del trabajo, publicado al final de 2011, consistió en demostrar que es factible explicar el surgimiento de los agujeros negros con masa muy elevada a partir del índice de formación estelar cósmica, un número que describe cuántas estrellas nacen, en promedio, en cada instante de la vida del Universo. “Mucha gente buscaba ese vínculo y nosotros lo encontramos”, afirma Miranda.

Una cuestión intrigante acerca de los superagujeros negros es la relación de éstos con la conformación de las galaxias que habitan. ¿Serían los embriones en torno de los cuales se agrupan las estrellas? ¿O tal vez, la formación de las galaxias induciría el surgimiento del agujero negro en el centro?

Coevolución
Aparentemente, la respuesta reside en la coevolución de dos fenómenos, causada por un tercer elemento: la materia oscura. Halos de este misterioso componente –que conforma la mayor parte de la materia del Universo y sólo interactúa con las partículas convencionales a través de la fuerza gravitatoria– inducirían el surgimiento de estrellas gigantescas en el comienzo del Cosmos y, más tarde, aglomerarían la materia circundante en su interior, aportando los “ladrillos” para la construcción de las galaxias. En ese contexto, los agujeros negros precederían a la formación de las galaxias, aunque ambos evolucionarían bajo el influjo de la materia oscura.

El nuevo trabajo también señala que el crecimiento de los agujeros negros gigantes en el centro de las galaxias pudo ocurrir en forma paulatina durante los 13.500 millones de años que sucedieron al surgimiento de las primeras estrellas. La mayoría de los modelos anteriores sugería la necesidad de un crecimiento hiperacelerado, que no cuadraba demasiado con lo que se sabía de los mecanismos de acreción implicados.

Otra consecuencia importante reside en que, una vez establecida la relación entre el índice de formación estelar y el crecimiento de los agujeros negros gigantes, se hizo posible estimar el comportamiento de esos agujeros negros en un pasado remoto. Dichas previsiones pueden confirmarse cuando entre en operaciones la próxima generación de telescopios, tales como el James Webb, proyectado por la Nasa para reemplazar al Hubble durante la próxima década.

“El modelo explica los observables, siempre y cuando los agujeros negros embrionarios tengan mil masas solares. Ése es el problema”, evalúa João Steiner, astrónomo de la Universidad de São Paulo. Según él, no está claro que el Universo primigenio, incluso con condiciones favorables para el surgimiento de estrellas mayores, pueda haber generado agujeros negros de tal magnitud.

En un pasado remoto pueden haber surgido estrellas mayores como consecuencia de una composición más sencilla del Universo primordial. Inmediatamente después del Big Bang, cuando se habrían originado las primeras estrellas, los únicos elementos químicos disponibles habrían sido el hidrógeno y el helio. Los átomos más pesados –tales como el oxígeno y el carbono, esenciales para la vida– recién aparecieron posteriormente, luego de que los primeros astros comenzaran a explotar en supernovas. Con menos elementos pesados, que fragmentan las nubes de gas, reduciendo la posibilidad de formar objetos con masa elevada, puede que hayan existido estrellas mucho mayores que las actuales.

Pero, ¿serían realmente tan grandes? “Existe la esperanza de que la respuesta se encuentre ahí”, dice Steiner. “Pero quizá sólo sea un deseo de los investigadores. ¿Por qué no se forman estrellas muy masivas, por ejemplo, en la Pequeña Nube de Magallanes? Ahí existe una metalicidad [presencia de elementos pesados] casi primordial”. En opinión de Miranda, ante la falta de ejemplos observables, es necesario apoyarse en construcciones teóricas. “Simulaciones computacionales”, dice, “revelan que las estrellas con 500 mil masas solares serían comunes en el Universo primigenio”

El otro estudio –realizado por el equipo del Observatorio Pierre Auger, con la participación de físicos de las universidades de São Paulo, Río de Janeiro y Bahía– analiza las colisiones de rayos cósmicos de alta energía con los núcleos de los átomos de la atmósfera y presenta un área de interacción de los rayos cósmicos con energía de 10¹⁸ a 10^18,5 eV (electronvoltios) con los núcleos de los átomos de la atmósfera. En esos niveles de energía, la interacción de esas partículas –o sección de choque– corresponde a 5,05 x 10^-29 metros cuadrados (el número cero seguido por la coma y por 28 ceros antes del número 505). “Ningún otro experimento había calculado esa medida de la sección de choque protón-aire o de la sección de choque protón-protón en esas altísimas energías”, dice Carola Dobrigkeit Chinellato, investigadora del Instituto de Física de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) y coordinadora del equipo paulista en el Observatorio Pierre Auger.

El Observatorio Pierre Auger, que se construyó entre los años 2000 y 2008 al pie de los Andes, en una planicie semidesértica de los alrededores de Malargüe, al sur de la ciudad de Mendoza, en Argentina, es el resultado de una cooperación internacional que congrega actualmente a 500 físicos de 18 países. Se trata del mayor observatorio de rayos cósmicos en funcionamiento, con 1.660 detectores de superficie, formados por tanques cilíndricos instrumentados, de 3,7 metros de diámetro por 1,2 metros de altura, cada uno situado a una distancia de 1,5 kilómetros del otro, formando una malla triangular. Diseminados sobre una superficie de 3.300 kilómetros cuadrados –el doble de la que ocupa la ciudad de São Paulo–, los detectores de superficie funcionan de manera integrada con los 27 telescopios de fluorescencia, los denominados ojos de mosca, capaces de registrar la tenue luz emitida por las moléculas de nitrógeno en la alta atmósfera cuando son excitadas por la lluvia de partículas provocada por el rayo cósmico que llegó a la Tierra. Los lectores de esta revista siguieron la construcción del Observatorio Pierre Auger, desde los entretelones de las negociaciones, presentados en agosto del año 2000 como tema de tapa de Pesquisa FAPESP.

Los rayos cósmicos fueron descubiertos hace 100 años por el físico austríaco Victor Hess, ganador del Premio Nobel en 1936. Ahora, con esos dos estudios recientes, el comportamiento de estas partículas se torna menos incierto, aunque su composición continúe siendo dudosa: hay señales de que los rayos cósmicos en el rango de energía hasta 10^18,5 eV serían protones, mientras que los de mayor energía tal vez sean núcleos de elementos químicos pesados, tales como hierro.

Campos magnéticos
En la Vía Láctea, las explosiones conocidas como supernovas, que marcan el fin de estrellas masivas, liberan una cantidad de energía suficiente como para explicar la formación de los rayos cósmicos de baja y alta energía, mientras que los de energías más altas, según se creía, podrían emanar de objetos más distantes, tales como los núcleos activos de galaxias, explica Elisabete de Gouveia Dal Pino, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP. Según su opinión, los protones que forman el gas del medio interestelar podrían acelerarse a velocidades cercanas a la de la luz, alcanzando el estatus de rayos cósmicos, al colisionar con las denominadas ondas de choque, que surgen en las explosiones de supernovas y causan variaciones abruptas de velocidad, presión y temperatura en las regiones vecinas, tales como las ocasionadas por el paso de un avión a chorro o por la explosión de una bomba atómica.

Los físicos suponen que otra fuente de rayos cósmicos puede estar en las ondas de choque que se originan debido al impacto de los extremos de los ejes de materia con el ambiente, denominados chorros, emitidos por los núcleos de galaxias activas. El problema reside en que los extremos de los chorros de los núcleos activos de galaxias pueden resultar insuficientes para generar las partículas con energía superior a 10¹⁸ eV. “Los rayos cósmicos deben ser capaces de escapar del confinamiento generado por los campos magnéticos sin perder demasiada energía debido a la interacción con los fotones del medio donde se generaron”, dice Dal Pino. “Otro inconveniente, descubierto en observaciones más recientes de radiación gamma emitida por núcleos activos de galaxias, se centra en que los rayos cósmicos responsables de esa emisión se producen en regiones ultracompactas donde los choques, aparentemente, son inexistentes”.

Gouveia Dal Pino y Alexander Lazarian, de la Universidad de Wisconsin, en Estados Unidos, investigaron otros mecanismos de formación de rayos cósmicos con altísima energía y, en 2005, presentaron una proposición teórica que ampliaba sus posibles fuentes. Ahora, por medio de las denominadas simulaciones numéricas magnetohidrodinámicas, presentadas el mes de junio de este año en la revista Physical Review Letters, Grzegorz Kowal, un astrofísico polaco que trabaja en el IAG desde 2009, Dal Pino y Lazarian confirmaron las hipótesis del artículo de 2005 y demostraron que los rayos cósmicos podrían originarse en las atmósferas magnetizadas, también denominadas coronas, que rodean a los agujeros negros y sus discos de acreción.

“La idea es sencilla”, asegura Dal Pino. “Como resultante del encuentro rápido entre líneas de campo magnético con polaridades opuestas, la energía magnética liberada es capaz de acelerar partículas inicialmente con baja energía a velocidades relativísticas. El proceso es muy similar a lo que ocurre con las partículas térmicas en las ondas de choque. Cuando quedan presas entre dos líneas de campo magnético con polaridades opuestas, ellas chocan varias veces con fluctuaciones magnéticas, adquiriendo progresivamente energía a partir de esas colisiones hasta adquirir velocidades cercanas a la de la luz y finalmente escapan de esa región de aceleraciones transformadas en rayos cósmicos”.

Esta proposición, dice ella, se inspiró en la profusa actividad magnética del Sol. A menudo emergen de la superficie del Sol tubos curvos de líneas de campo magnético, los loops, con una extensión aproximada de 10 mil kilómetros, la denominada corona solar. Los loops pueden presentar polaridad positiva o negativa, tal como las líneas magnéticas de la Tierra. Cuando colisionan, los loops de polaridad opuesta liberan energía, producen calor y aceleran los protones que se encuentren en el entorno, convirtiéndolos en rayos cósmicos. Según Dal Pino, este proceso puede originar buena parte de los rayos cósmicos de baja energía, de hasta 10¹⁰ eV, que llegan a la Tierra.

Gouveia Dal Pino, Lazarian y Kowal determinaron que los campos magnéticos con polaridades opuestas, cuando quedan envueltos en movimientos discontinuos denominados turbulencias, pueden encontrarse y aniquilarse rápidamente, promoviendo una aceleración de los protones cercanos de baja energía que los transforma en rayos cósmicos, proceso que también ocurre en las coronas de gas magnetizado cercanas a agujeros negros o estrellas, o, de modo general, “en regiones compactas altamente magnetizadas”, dice ella. De acuerdo con este estudio, en esas regiones, que pueden tener centenares de miles de kilómetros de extensión, los protones pueden amplificar su energía 10 millones de veces en alrededor de mil horas (41 días), a medida que chocan con los campos magnéticos.

Los investigadores descubrieron otra posibilidad, que amplía todavía más los posibles nidos de rayos cósmicos. Según ese estudio, aunque con menor ganancia de energía, los rayos cósmicos también podrían originarse en el gas interestelar o en el medio intergaláctico, que son turbulentos y magnetizados. Según Dal Pino, bajo el efecto de la turbulencia, las regiones magnetizadas del gas podrían encontrarse y destruirse, transfiriéndoles la energía a las partículas cercanas. La siguiente etapa del trabajo consiste en combinar estos resultados con mecanismos físicos de pérdidas energéticas de los rayos cósmicos y analizar observaciones de telescopios que puedan confirmar o corregir esas hipótesis.

“Necesitamos saber cuál es el mecanismo dominante en la formación de los rayos cósmicos ultraenergéticos”, dice ella. Hasta ahora, las fuentes de las partículas más energéticas se limitaban a las ondas de choque en los chorros de galaxias activas. Mientras que las ondas de choque provenientes de explosiones de supernovas parecen ser el principal mecanismo de producción de los rayos cósmicos en nuestra galaxia con energías de hasta 10¹⁶ – 10¹⁷ eV, y el Sol aparece como una de las principales fuentes de energía más baja (10⁹ – 10¹⁰ eV), ella afirma que “las fuentes de los rayos cósmicos de más alta energía siguen siendo un misterio y el mecanismo de reconexión magnética surge como una nueva y atrayente posibilidad”.

Otros encuentros
El otro estudio también aborda las colisiones de rayos cósmicos a altísimas energías, examinadas por medio del Observatorio Pierre Auger en Argentina. Cuando un rayo cósmico de altísima energía ingresa en la atmósfera y colisiona con sus partículas, se generan nuevas partículas. Éstas, a su vez, continuarán propagándose por la atmósfera y también podrán sufrir nuevas colisiones produciendo nuevas partículas.

Esa cascada prosigue mientras la lluvia de partículas cuenta con energía suficiente como para producir otras. “Cuando las partículas ya no tienen la energía suficiente, la cantidad de partículas de la lluvia habrá alcanzado su apogeo y, a partir de allí, tan sólo podrá disminuir”, dice Carola Chinellato, de la Unicamp. Según ella, la energía del rayo cósmico original se repartirá entre ese enorme número de partículas producidas; por lo tanto, si finalmente se produjeran 1 billón de partículas, la energía de cada una de ellas será aproximadamente de 1 billonésima de la energía del rayo cósmico original.

Casiopea, remanente de una supernova: actualmente, la aceleración de los protones probablemente sea el resultado de la onda de choque formada por los movimientos de la capa externa de gas

Recientes mediciones realizadas en el Observatorio Pierre Auger posibilitaron, por primera vez, detallar las interacciones entre partículas en una energía aún no alcanzada en los aceleradores de partículas. En un trabajo publicado en agosto en la revista Physical Review Letters, un equipo del observatorio analizó colisiones de 11.628 rayos cósmicos con energías ubicadas entre 10¹⁸ y 10 ^18,5 eV con los núcleos de nitrógeno u oxígeno de la atmósfera, que se registraron entre diciembre de 2004 y septiembre de 2010. Según Chinellato, resultados previos en el Observatorio Pierre Auger ya habían señalado que, en ese rango de energía, las partículas cósmicas que alcanzan la Tierra serían protones.

Al analizar las alturas en que las lluvias de partículas más penetrantes en la atmósfera surgen con mayor cantidad de las mismas, los investigadores determinan la sección de choque inelástica –una dimensión física fundamental que mide la probabilidad de interacción de una partícula con otra– en las colisiones de protones con núcleos de aire. En el caso de un protón topándose con los núcleos de aire, esta superficie de interacción es de 5,05 x 10^-29 metros cuadrados. “Cuanto mayor es la sección de choque, mayor es la probabilidad de que ocurra una colisión”, dice. En realidad, las cosas no son tan sencillas en el mundo de las partículas. “Para interactuar, las partículas no necesitan tocarse”.

“No existe contacto entre las partículas”, advierte Marcio Menon, también investigador de la Unicamp. Los físicos creen que, probablemente, son componentes de los protones denominados gluones los que saltan hacia otras partículas, transfiriendo información sobre velocidad y modificando el comportamiento de éstas. Menon utilizó los valores obtenidos por el equipo del Observatorio Pierre Auger para comparar con valores medidos en otros experimentos y plantear correcciones en las fórmulas matemáticas que rigen la variación de la sección de choque entre partículas elementales.

La medida de la sección de choque de las colisiones entre protones y los núcleos de la atmósfera obtenida por los telescopios del Observatorio Pierre Auger también contribuye a estimar el comportamiento de los encuentros entre protones inducidos en los túneles del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, según su sigla en inglés), emplazado cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. El observatorio con sede en Argentina y el LHC se construyeron para ampliar, cada uno a su manera, el conocimiento sobre las propiedades de las partículas elementales. El equipo del Observatorio Pierre Auger trabaja con colisiones naturales de partículas con energías 1 millón de veces mayores que las mayores energías logradas hasta ahora en el LHC, pero los rayos cósmicos chocan con otras, las del aire, prácticamente estáticas, mientras que en los túneles del LHC son dos haces de protones bastante acelerados que se topan en colisiones frontales. Según Chinellato, en ese rango de energía, la energía total de la colisión de un protón de los rayos cósmicos con un núcleo del aire es tan sólo ocho veces mayor que el de una colisión entre dos protones en el LHC.

Colisiones de protones
A partir del resultado de la medida de la sección de choque inelástica protón-aire, los investigadores del Observatorio Pierre Auger calcularon la sección de choque total en colisiones protón-protón y arribaron a la conclusión de que la superficie de interacción entre partículas sigue aumentando con la energía. Chinellato sostiene que ese aumento ya se había observado para el caso de energías menores hace 40 años, también en el Centro Europeo de Energía Nuclear (Cern), y de manera más indirecta en experimentos que involucraban rayos cósmicos. “Sorprendentemente”, dice, “el resultado observado indicaba que el protón se hacía mayor y más opaco a medida que su energía aumentaba”.

Actualmente, el LHC, que opera en el Cern, constituye una nueva oportunidad para continuar estudiando el comportamiento de la sección de choque protón-protón en experimentos realizados con aceleradores, ahora con energías más altas, del orden de 7 x 10¹² eV, casi 100 veces por encima de las energías alcanzadas hace 40 años. Los primeros resultados obtenidos en 2011 mediante el experimento Totem, en el Cern, que también involucran colisiones protón-protón, confirmaron que el protón sigue volviéndose mayor con el incremento de energía, y, por consiguiente, que la sección de choque total sigue aumentando. Según Chinellato, los investigadores del experimento Totem midieron la sección de choque en colisiones elásticas protón-protón y, con base en ello, estimaron la sección de choque total protón-protón aplicando un modelo teórico. El valor que se publicó es de 9,83 x 10^-30 metros cuadrados para una energía total de colisión de 7 x 10¹² eV, que ella compara con el valor de la sección de choque total en la colisión protón-protón a la que arribaron los investigadores del Observatorio Pierre Auger, de 1,33 x 10^-29 metros cuadrados, para energías aún más altas, correspondientes a 5,7 x 10¹³ eV. “El protón sigue volviéndose mayor y más opaco con esas energías”, comenta.

“En esencia”, dice, “lo que estamos estudiando en el LHC y en el Auger es algo muy similar a lo que Rutherford estudiaba a comienzos del siglo pasado”. En 1911, en Inglaterra, el físico Ernest Rutherford realizó una serie de experimentos, disparando partículas alfa, con carga positiva, contra una lámina de oro, determinando que el átomo estaba formado por un núcleo minúsculo rodeado por una región mucho más extensa donde circulan los electrones. “La diferencia reside en que la escala de energía es mucho más alta y los experimentos son mucho más interesantes y complicados. Y resulta fantástico que el Observatorio Pierre Auger logre medir una dimensión tan elemental partiendo de la observación de lluvias de partículas en la atmósfera”.

Artículos científicos
DE GOUVEIA DAL PINO, E.M. y LAZARIAN, A. Production of the large scale superluminal ejections of the microquasar GRS 1915+105 by violent magnetic reconnection. Astronomy & Astrophysics. v. 441, p. 845-53. 2005.
KOWAL, G. et al.  Particle acceleration in turbulence
and weakly stochastic reconnection. Physical Review Letters. v. 108, n. 24, p. 241.102. 2012.
ABREU, P. et al.  Measurement of the Proton-Air Cross Section at √s = 57 TeV with the Pierre Auger Observatory. Physical Review Letters. v. 109, n. 6, p. 062002. 2012.

El descubrimiento del más prometedor de esos superconductores se anunció en junio de este año en un artículo publicado en el Journal of Applied Physics. En él, los investigadores de Lorena, en colaboración con el ingeniero de materiales Ausdinir Bortolozo, de la Universidad Federal de Itajubá, y los físicos Renato Jardim, de la USP, y Flávio Gandra, de la Universidad Estadual de Campinas, describen qué sucede cuando se agrega una pizca de átomos de carbono durante el proceso de fabricación de un compuesto metálico muy conocido, elaborado con niobio y germanio, el Nb₅Ge₃, que desde 1977 poco interesaba a la ciencia de los materiales porque se transformaba en superconductor a una temperatura extremadamente baja, inferior a -272 grados Celsius (ºC). “El comportamiento eléctrico del material dopado cambió por completo”, informa Machado, quien ya cuenta con resultados preliminares de otros dopajes exitosos del Nb₅Ge₃, utilizando otros seis elementos químicos.

El material dopado con carbono es superconductor a una temperatura de -258ºC, la más alta obtenida por los brasileños y que se considera interesante para la industria. A pesar de ser gélida, esta temperatura se ubica 11 grados por encima del punto de ebullición del helio líquido (-269,15ºC), que normalmente se utiliza para refrigerar los metales superconductores en sus aplicaciones tecnológicas, por ejemplo, en los equipamientos que realizan imágenes por resonancia magnética.

Nula resistencia
Un material superconductor es aquél en el que la resistencia eléctrica desaparece por debajo de cierta temperatura. Eso significa que una corriente eléctrica puede fluir por el material sin perder energía disipando calor. La superconductividad fue observada el físico holandés Heike Onnes, por primera vez, en 1911, y desde entonces se han descubierto varios materiales superconductores, la mayoría de ellos metálicos, funcionando a temperaturas bajísimas, de pocas decenas de grados por encima del cero absoluto (-273,15ºC).

Pese a ser relativamente alta, la temperatura alcanzada por los brasileños no llega cerca del récord mundial, establecido para otra clase de materiales, basados en óxidos de cobre, que surgió en los laboratorios a partir de 1987, con temperaturas superconductoras superiores a -196ºC. Esos materiales de naturaleza cerámica, sin embargo, son quebradizos y heterogéneos, lo cual impide su producción en gran escala. Por eso, todavía se busca un material superconductor a temperaturas más altas, aunque maleable y homogéneo tal como los metales.

Según el físico Zachary Fisk, de la Universidad de California, en Irvine, el descubrimiento de los brasileños abre la posibilidad de utilizar un dopaje intersticial para buscar las tan soñadas aleaciones metálicas superconductoras a temperaturas más altas. “Es un desarrollo que entusiasma”, comenta.

Artículo científico
BORTOLOZO, A. D. et al. Interstitial doping induced superconductivity at 15.3K in Nb5Ge3 compound. Journal of Applied Physics. 2012.

La física brasileña Renata Wentzcovitch, investigadora de la Universidad de Minnesota, Estados Unidos, es la artífice de descubrimientos fundamentales sobre el interior del planeta empleando precisamente técnicas matemáticas y computacionales que desarrolla desde 1990. En 1993, Wentzcovitch dilucidó la estructura atómica de la perovskita a altas presiones. La perovskita es el mineral más abundante en el manto inferior, la capa más extensa del interior del planeta, con un espesor de 2.200 km, bastante menos conocida que las capas más externas (obsérvese la infografía a continuación, referente a las capas del interior de la Tierra).

En 2004, ella y su equipo identificaron la posperovskita, un mineral resultante de la transformación de la perovskita sometida a presiones y temperaturas centenares de veces más altas que las de la superficie, tal como ocurre en las regiones más profundas del manto. Estos resultados ayudaron a suministrar una explicación sobre las velocidades de las ondas sísmicas generadas por los terremotos, que varían de acuerdo con las propiedades de los materiales que atraviesan y representan uno de los medios más utilizados para comprender la composición del interior de la Tierra. En los últimos tiempos, nuevos estudios de Wentzcovitch señalaron que la posperovskita tiende a disociarse en óxidos elementales, tales como el óxido de magnesio y el de silicio, a medida que la presión y la temperatura aumentan todavía más, tal como sucede en el interior de los planetas gigantes: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.

“Poseemos los medios para descubrir la constitución y las diferencias de composición del interior de los planetas”, dice. Según ella, las técnicas que ha desarrollado pueden prever el comportamiento de estructuras cristalinas complejas, conformadas por más de 150 átomos. “A lo largo del manto terrestre, las estructuras cristalinas de los minerales son diferentes, pero la composición química de las capas del interior de la Tierra parece ser uniforme”.

Mediante trabajos como el efectuado por su grupo, ahora comienza a notarse mejor de qué modo los minerales del interior de la Tierra tienden a perder elasticidad y hacerse más densos cuando son sometidos a alta presión y temperatura, las cuales aumentan con la profundidad. En función del aumento de la presión, se cree que la densidad en el centro de la Tierra –formado por una masa sólida de hierro a una temperatura cercana a los 6.000 grados Celsius (ºC)– sería de unos 13 gramos por centímetro cúbico, cuatro veces mayor que la de la superficie, lo cual indica que en un mismo volumen caben cuatro veces más átomos.

Sin espacio para la ficción y apegados a rigurosos métodos, como lo son el análisis de los resultados obtenidos en cálculos teóricos, de experimentos en laboratorio, de relevamientos geológicos y de la velocidad de las ondas sísmicas; físicos, geofísicos, geólogos y geoquímicos están “abriendo” el planeta y ampliando el conocimiento sobre las regiones de masa rocosa compacta ubicadas debajo del límite de los 600 km, que marca el comienzo de una región más densa del manto, la denominada zona de transición, a partir de la cual el conocimiento era escaso. Los expertos consideran que podrán comprender mejor –y tal vez algún día prever– los terremotos y los tsunamis, además de detectar yacimientos minerales más fácilmente que ahora, si logran determinar la composición y los fenómenos ocurrentes en las regiones inaccesibles del interior del planeta.

Océanos sumergidos
Incluso de las capas más externas están surgiendo novedades, que deshacen la antigua imagen del interior del planeta como una secuencia de capas regulares semejantes a las de una cebolla. En 2003, mediante detallados estudios mundiales, investigadores de Estados Unidos comenzaron a descubrir irregularidades en la corteza, cuyo espesor varía entre 20 y 68 km, lo que hace que las regiones más delgadas se encuentren sujetas a terremotos y las más espesas, a colapsos.

“Ahora vemos la interacción entre la corteza y la zona más superficial del manto”, comentó el geofísico Walter Mooney, del Servicio Geológico de Estados Unidos, en el Frontiers in Earth Science, un encuentro que tuvo lugar a comienzos de julio en la Universidad de São Paulo (USP). Los geofísicos de Estados Unidos están revaluando las posibles consecuencias de dos fenómenos que ocurren con la corteza. El primero es la subducción de las placas tectónicas –porciones móviles y rígidas de la litósfera, la capa superficial que incluye a la región más externa del manto– en regiones más profundas del manto, amplificando el riesgo de temblores terrestres en las regiones en que ello ocurre. Los datos repiten las conclusiones de un estudio reciente coordinado por Marcelo Assumpção, profesor del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP. Graduado en física, Assumpção, asociado con investigadores de la Universidad de Brasilia, verificó que los temblores de tierra en Brasil ocurren con mayor frecuencia en regiones donde la corteza y la litósfera son más delgadas y, por ende, más frágiles.

Otro fenómeno visualizado ahora es la entrada de agua en la litósfera, debajo de la corteza. Lo desconcertante es que el agua no podría almacenarse en la corteza inferior debido a la presión ejercida por las capas rocosas y por la temperatura de alrededor de 205 ºC; por lo tanto, se evaporaría rápidamente. En realidad, lo que existe en el interior de la Tierra no es exactamente agua, sino los componentes de la molécula de agua, hidrógeno y oxígeno, ligados a la estructura cristalina de los minerales en forma de H₂O (agua) u OH (oxhidrilo).

Mooney y su equipo detectaron una intensa intromisión acuática en regiones de los Andes donde la corteza alcanza 65 km de espesor, pero no supieron explicar la razón de ese fenómeno. “¿Dónde se almacena ese agua? ¿Cuál es su volumen?”, se preguntó frente a colegas de varios países que asistieron a la reunión científica en la USP. Quizá, comentó, el agua provenga de las placas tectónicas que se hunden o se separan. Los expertos observaron que la litósfera sin agua es geológicamente más antigua, mientras que la hidratada es más reciente, lo que indica que la hidratación podría contribuir a la formación o transformación de las capas más externas o incluso del manto más profundo, cercano al núcleo.

Las moléculas de agua son importantes pues, “incluso en proporciones ínfimas, del orden del 0,1%, pueden modificar la viscosidad de los materiales, y por lo tanto la visión sobre la circulación de materia y energía en el interior de la Tierra”, comenta el físico João Francisco Justo Filho, docente de la Escuela Politécnica de la USP que trabaja junto a Renata Wentzcovitch desde 2007. “Una gran cantidad de agua puede hallarse escondida en el manto inferior, en los minerales”, afirma el geoquímico Francis Albarède, de la Escuela Normal Superior de Lyon, en Francia. “Quizá el equivalente a un océano entero”. O incluso más, “acaso varios océanos”, medita Wentzcovitch. Mediante cálculos informáticos, ella comenzó a estudiar las posibilidades de que dos átomos de hidrógeno sustituyan al magnesio ligado con el oxígeno y formen unidades de H₂O. “Cuanto más investigamos, hallamos mayor cantidad de defectos en las estructuras cristalinas, donde podría combinarse el hidrógeno”, añade. El problema reside en que no se sabe cuánto hidrógeno puede hallarse almacenado en el manto.

Más abajo, la incertidumbre aumenta, frente a la imposibilidad de medir con precisión lo que sucede a 6.000 km de profundidad. Todavía se conoce poco sobre la composición del núcleo terrestre, tan denso que concentra el 30% de la masa del planeta en dos regiones, una externa, líquida, y otra interna, sólida, donde la temperatura puede sobrepasar los 6.000 ºC. Un equipo de la University College London utilizó el mismo abordaje conceptual que el grupo de Minnesota, la teoría funcional de densidad, para estimar la intensidad del flujo calórico proveniente de la región limítrofe entre el núcleo y el manto, a partir de la cantidad de hierro, oxígeno, azufre y silicio sugerida por las velocidades de las ondas sísmicas que atraviesan el núcleo y por el flujo de calor del manto inferior. Los resultados, que se publicaron en mayo en la revista Nature, indicaron que el flujo calórico que emana del núcleo sería entre dos y tres veces mayor que el estimado previamente. Hacia dónde fue o va esa energía, nadie sabe.

Minerales en descomposición
Diversos estudios en curso se enfocan en el manto, una densa capa sólida, levemente flexible, que se deforma muy lentamente, tal como ocurre con el alquitrán. A no ser en las raras ocasiones en que el magma emerge a través de los volcanes, trayendo material del manto, los estudios se realizan en forma indirecta, mediante el monitoreo de la velocidad de las ondas sísmicas, y resulta difícil saber directamente lo que sucede en el manto. Los japoneses planean ir más allá del record de los 12 km perforados y alcanzar el manto utilizando un navío con una sonda similar a la de un petrolero. La misión, anunciada en el mes de julio en la revista New Scientist, no será sencilla: los materiales de los taladros que se utilizarán para perforar la corteza y llegar al manto deben resistir presiones 2 mil veces mayores que las de la superficie y temperaturas cercanas a 900 ºC, una tarea similar al plan de extracción de petróleo de la capa de presal del litoral paulista.

“Yo cocino rocas, para entender cómo se formaron”, dice el geólogo Guilherme Mallmann, investigador del Instituto de Geociencias de la USP, quien adoptó otro método para conocer mejor el interior del planeta. En el laboratorio, somete los componentes químicos que constituyen los minerales a altas presiones y temperaturas. No obstante, los hornos y prensas como los que él usa, sólo permiten reproducir los fenómenos que ocurren hasta los 150 km de profundidad, la región del manto superior en la que se forma el magma, que a veces emerge a través de los volcanes. Las condiciones de presión más profundas del interior de la Tierra también pueden alcanzarse experimentalmente, según él, pero eso resulta mucho más complicado. Como la presión es el resultado de la fuerza sobre una determinada área, el volumen del material analizado tendría que ser muy reducido para alcanzar esas presiones altísimas. “Construir prensas mayores es generalmente inviable”.

La perovskita, denominada así en homenaje al mineralogista ruso Lev Perovski, se forma en ambientes sometidos a presiones y temperaturas elevadas que, en el manto inferior, pueden variar de 23 a 135 gigapascales (1 gigapascal es unas 10 mil veces mayor que la presión en la superficie terrestre) y entre 2.000 ºC y 4.000 ºC. Wentzcovitch exhibió la estructura cristalina de ese mineral –un silicato de magnesio y hierro– en 1993, en la revista Physical Review Letters, mediante rombos verdes y amarillos, en alusión a la bandera brasileña. La razón era simple: “Nostalgia”, dice la investigadora, quien reside en las ciudades gemelas Mineápolis-Saint Paul, con 2,5 millones de habitantes, cerca de la frontera con Canadá, donde la temperatura durante el invierno puede mantenerse en -20 ºC durante semanas.

En colaboración con físicos de Italia y Brasil, ella verificó que los átomos de hierro de un mineral denominado ferropericlasa, el segundo más abundante en el manto inferior, pierden una de sus propiedades más distintivas, el magnetismo, explicando así un fenómeno que ya se observara en laboratorio. En 2007, Justo Filho trabajó en Minnesota con Wentzcovitch y juntos desarrollaron una serie de ecuaciones que establecen el cambio de las propiedades elásticas y velocidades sísmicas durante la sorprendente pérdida de magnetismo del hierro como resultado del aumento de la presión en el mineral ferropericlasa.

“El tamaño del átomo de hierro disminuye cuando pierde el momento magnético y así se convierte en el más denso, ferropericlasa. Además, los minerales con hierro se ablandan durante el lento proceso de densificación, tal como ya se había observado en el laboratorio, aunque aún no se lo había explicado”, dice Justo Filho. Se trata de un fenómeno sorprendente porque lo normal es que el material se endurezca cuando se torna más denso.

Los resultados a los que arribaron ambos científicos fueron publicados en 2009 en la revista PNAS y explicaron la pérdida de magnetismo bajo presión y temperatura equivalentes a las del manto inferior, que James Bedro, de las Universidades de París 6 y 7, había detectado en laboratorio e informado en la revista Science en 2003 y 2004. La verificación experimental de ese fenómeno, uno de los grandes descubrimientos de la geofísica en los últimos años, indicó que la proporción de hierro no magnético puede aumentar con la profundidad y, asimismo, que las capas más profundas del manto inferior pueden incluso ser más densas que las menos profundas.

La trayectoria
Cuando era una preadolescente, a Wentzcovitch le agradaba hacer las pruebas de matemática que su abuelo Adolfo Foffano le hacía hacer todos los días que pasaban en juntos, durante las vacaciones de fin de año en Sumaré, en el interior paulista. Ella estudió física en la Universidad de São Paulo y llegó a Berkeley, Estados Unidos, en 1983, por recomendación de José Roberto Leite y Cylon Gonçalves da Silva.

La trayectoria de Wentzcovitch incluyo una temporada en Cambridge y en Londres, entre 1990 y 1992, luego de haber ampliado las posibilidades de utilización de sus técnicas de simulaciones de materiales. Sus nuevas técnicas eran tan vastas que servían para estudiar el movimiento atómico y las transformaciones de estructuras cristalinas en altas presiones y temperaturas. Para ello, utilizó el denominado cálculo de primeros principios, que se basa en la teoría funcional de la densidad, cuya esencia es sencilla: la energía total de un conjunto de electrones en estado de equilibrio depende de la densidad total de electrones.

Al cabo de mucho trabajo, lo había logrado. “En menos de un mes, con mis técnicas, resolví la estructura del silicato de magnesio a alta presión, en la que los investigadores de Cambridge trabajaban desde hacía dos años”, comenta. Resolver una estructura, explica, “significa detectar la posición de equilibrio y los grados de libertad de una estructura cristalina con cierta simetría que minimizan la energía interna”. Hasta entonces, tan sólo se podían determinar con facilidad estructuras tales como la del diamante, formada por dos átomos en su base y un grado de libertad, que se refleja en la distancia existente entre los átomos de carbono. La estructura de la perovskita posee 20 átomos de silicio, magnesio y oxígeno, y 10 grados de libertad, “siendo mucho más compleja que la estructura de los semiconductores y, por ello, su comportamiento en altas presiones hasta ese entonces era desconocido”, agrega.

Al principio, uno de sus problemas consistía en que no podía verificar experimentalmente sus previsiones teóricas. Empero, en 2003, trabajando con investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio, Renata y su equipo de Minnesota analizaron el espectro de rayos X que difería bastante de lo esperado en presiones tan altas. Y arribaron a la conclusión de que había ocurrido una transformación de fase –o modificación de la estructura cristalina– en una estructura desconocida. “Al principio no podía creerlo”, dice, “¡es que la perovskita parecía ser tan estable!”. Al año siguiente, un artículo en la revista Science daba cuenta de la nueva estructura cristalina: la posperovskita, actualmente considerada el material más abundante en la región del manto conocida como D”, en contacto con la capa externa del núcleo de la Tierra. “La posperovskita explica muchas características geofísicas de esa región de la Tierra”, observó Mallmann, de la USP.

La posperovskita presenta una estructura en capas, a través de las cuales viajan las ondas sísmicas, a velocidades que dependen de la dirección inicial. Este trabajo reforzó la conclusión de otros estudios que señalaban que ese mineral podría formarse a diferentes profundidades del manto inferior.

En el informe publicado en la revista Science, en su edición del 24 de marzo de 2004, el físico Surendra Saxena, de la Universidad Internacional de Florida, en Estados Unidos, cuestionó las conclusiones, alegando que todavía creía que la perovskita solamente se descompone en las regiones del manto más cercanas al núcleo; y recordó que la teoría aún no era perfecta, aunque estudios posteriores sobre la propagación de las ondas sísmicas parecen confirmar la presencia de posperovskita en la región D”.

“Tuvimos mucha suerte”, comentó Wentzcovitch. “Los resultados de los cálculos computacionales de velocidades en la posperovskita son sorprendentes, ya que reproducen muchas observaciones sismológicas de la región D”, hasta entonces inexplicables. No se trata de una mera coincidencia”.

También en 2004, cuando ese trabajo comenzó a circular, Wentzcovitch recibió una financiación por valor de 3 millones de dólares de la National Science Foundation, de Estados Unidos, para montar el Laboratorio Virtual de Materiales Planetarios y Terrestres (VLab) en el Instituto de Supercomputación de la Universidad de Minnesota. El VLab agrupó a químicos, físicos, científicos computacionales, geofísicos y matemáticos, quienes, motivados por la posible existencia de posperovskita en otros planetas, comenzaron a percibir las probables transformaciones que los minerales podrían sufrir en el interior de los planetas gigantes del sistema solar –Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno–, con masas al menos 10 veces superiores a la de la Tierra, bajo presiones y temperaturas todavía mayores.

Los resultados obtenidos por el grupo, del mismo modo que los detallados en la revista Science en 2006, presentando las probables transformaciones del silicato de magnesio en los planetas gigantes más cercanos a la Tierra, indicaron que estas técnicas de cálculo pueden resultar útiles para estudiar la evolución de los planetas. “Los patrones de comportamiento de los minerales en planetas diversos no pueden constituir una mera coincidencia”, sostuvo, frente a la audiencia que la escuchaba atentamente durante el seminario realizado en la USP.

Las simulaciones del comportamiento de materiales en grandes profundidades y los estudios experimentales, sobre todo cuando coinciden, ayudan a definir los fenómenos que ocurren en el interior de la Tierra. En el mes de julio, investigadores franceses anunciaron que lograron reproducir en laboratorio las condiciones ambientales atribuidas al límite entre el núcleo externo y el manto inferior. Demostraron, por medio de análisis de rayos X, que las rocas parcialmente derretidas cuando se las somete a altas temperaturas y presión, pueden desplazarse en dirección a la superficie terrestre, originando islas volcánicas, tal como es el caso de las que conforman el archipiélago de Hawai.

Una Tierra más real
Los nuevos informes sobre el interior del planeta promueven el trabajo de grupos brasileños de investigación en geofísica básica, enfocados en el examen de la Tierra a gran escala, en São Paulo, Río de Janeiro, Rio Grande do Norte, el Distrito Federal y Rio Grande do Sul.

Vistos en conjunto, los resultados ayudan a construir una imagen más sólida de la Tierra, que ha sido representada en forma variada durante los últimos siglos. El conocimiento al respecto de la estructura de la Tierra ha avanzado bastante desde 1912, cuando el geofísico alemán Alfred Wegener concluyó que la Tierra estaría formada por placas rígidas que se desplazan, y se aleja cada vez más de las imágenes poéticas de Viaje al centro de la Tierra, la magnífica obra del escritor francés Julio Verne, publicada en 1864. “Ahora sabemos que el interior de la Tierra, a diferencia de lo que escribiera Julio Verne”, asegura Justo Filho, “es absolutamente misterioso y ciertamente inhabitable”. No por ello, añade Assumpção, nuestro planeta deja de ser fascinante.

Artículos científicos
WENTZCOVITCH, R.M. et al. Ab initio molecular dynamics with variable cell shape: Application to MgSiO₃. Physical Review Letters. v. 70, p. 3.947-50. 1993.
TSUCHIYA, T. et al. Phase transition in MgSiO₃ perovskite in the earth’s lower mantle. Earth and Planetary Science Letters. v. 224, n. 3-4, p. 241. 2004.
WENTZCOVITCH, R.M. et al. Anomalous compressibility of ferropericlase throughout the iron spin crossover. PNAS. v. 106, p. 8.447-52. 2009.

Represa Riacho Verde, uno de los 4 mil reservorios de pequeño porte de la región

Un equipo internacional de físicos e hidrólogos se sorprendió al analizar cómo el agua fluye por los ríos y riachos que conectan las casi 4 mil represas o embalses de la cuenca hidrográfica del Alto Jaguaribe, en el sudoeste de Ceará. Ellos descubrieron que, mientras que  la mayoría de las represas había sido construida sin tener en cuenta ninguna planificación regional, en conjunto ellas conforman una red que está lejos de ser aleatoria. Por el contrario, la red parece organizada de tal forma que el agua es relativamente bien captada y distribuida por la región. “El hombre de campo, incluso al tomar decisiones locales, sin mirar hacia el todo, construyó un sistema muy parecido al que se habría construido si se lo hubiese planeado en forma óptima”, afirma el ingeniero hidráulico José Carlos de Araújo, de la Universidad Federal de Ceará (UFC), uno de los autores del estudio publicado en abril en el sitio web de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Varias propiedades de esa red de embalses, en especial la frecuencia con la que ocurren los desbordes en serie durante los períodos de lluvia, obedecen a patrones de probabilidades muy conocidos por los físicos que estudian redes complejas, como en el caso de las redes eléctricas, las neuronas del cerebro e internet. Al analizar esas regularidades matemáticas, sería posible intervenir en la red para lograr una mayor eficiencia y menor vulnerabilidad ante las sequías, crecientes o rompimientos de diques.

Inserto en el polígono de la sequía, el estado de Ceará sufre todo el año la escasez de agua, solamente interrumpida durante la estación lluviosa, que dura desde febrero hasta mayo. La evaporación promedio anual supera allí en tres o cuatro veces a las precipitaciones, provocando que la mayoría de los cursos de agua sean efímeros. Para complicar la situación, la mayor parte de su territorio está formado por rocas cristalinas, impermeables, cubiertas por un terreno llano, que casi no almacena agua subterránea.

Toda el agua de las lluvias escurriría directamente hacia el mar si no fuera por las más de 30 mil represas diseminadas por el estado, que conforman una de las redes de embalses más profusas del mundo, con un promedio de un reservorio cada seis mil kilómetros cuadrados. “A lo largo de las décadas hubo una construcción desmesurada de esas represas, para dotar de cierta seguridad hídrica a las poblaciones”, explica el hidrólogo George Leite Mamede, de la Universidad de la Integración Internacional de la Lusofonía Afro-Brasileña (Unilab), y autor principal del artículo en la PNAS.

Los investigadores analizaron un sector de la cuenca del Jaguaribe, el principal río de Ceará, que se extiende desde sus fuentes, en el sudoeste del estado, en el límite con Piauí, hasta su desembocadura en el segundo mayor embalse cearense, el Orós. La denominada cuenca del Alto Jaguaribe cubre un área de 25 mil kilómetros cuadrados, donde 500 mil habitantes viven principalmente de la cría de ganado y de la agricultura. Además del Orós, que puede almacenar casi 2 mil millones de metros cúbicos de agua, la cuenca también cuenta con otros 17 embalses estratégicos con capacidad superior a 1 millón de metros cúbicos, que garantizan el agua incluso durante períodos de sequía continuos de hasta tres años. Esos reservorios estratégicos son monitoreados constantemente por los técnicos de la Compañía de Gestión de Recursos Hídricos (Cogerh) de Ceará.

La mayoría de los casi 2 mil diques del Alto Jaguaribe, no obstante, son pequeñas construcciones, con un volumen inferior a 100 mil metros cúbicos, realizados por hacendados y pequeños agricultores, a veces con el apoyo de las alcaidías locales, pero sin ningún relevamiento de los impactos que la obra podría ocasionar. “Además, no se los utiliza racionalmente”, explica Araújo. “No hay un sistema de gestión para las pequeñas represas”.

De hecho, esa profusión de reservorios pequeños no es vista con buenos ojos por la mayoría de los gestores de recursos hídricos del estado. En primer lugar, porque no logran abastecer a la población durante toda la estación seca, ya que almacenan poca agua y pierden bastante de ella por evaporación e infiltración. Luego, por hallarse generalmente río arriba en relación con los grandes reservorios estratégicos, las pequeñas represas retienen agua que llegaría a esos últimos, donde su uso es mejor controlado.

El turno de los pequeños
Pero el Grupo de Investigación Hidrosedimentológica del Semiárido de la UFC, coordinado por Araújo, está reuniendo evidencias que revelan que los pequeños embalses tienen sus aspectos positivos. Lo más evidente es la distribución espacial más igualitaria y económica de los recursos hídricos en la región. Si toda el agua escurriera directamente hacia los grandes diques río abajo, habría un costo energético para bombearla de regreso.

Los estudios del grupo también sugieren que las pequeñas represas retienen buena parte de los sedimentos que arrastra el agua que, en caso contrario, se acumularían en los grandes embalses, disminuyendo su capacidad de almacenamiento. Incluso existen datos de que la red de pequeñas represas funciona como una especie de filtro para los grandes reservorios, reteniendo la contaminación generada, particularmente, por la ganadería.

Empero, aun con esos beneficios, los investigadores alertan que la construcción de más represas pequeñas –que prosigue en la región, aunque a menor ritmo que en el pasado– debe cesar. Un estudio conducido por Vanda Malveira, de la UFC, y publicado en enero en el Journal of Hydrologic Engineering, comparó el crecimiento de la red de represas en el Alto Jaguaribe entre 1961 y 2005 con la de redes simuladas por computadora. Los investigadores arribaron a la conclusión de que una red logra un aprovechamiento óptimo de recursos hídricos cuando la suma de la capacidad de las represas llega a tres veces el volumen del agua que fluye por la cuenca anualmente. Más allá de ese punto, sobrepasado en el Alto Jaguaribe durante los años 1990, no se gana nada construyendo nuevas represas. El agua que sería almacenada por un dique río abajo simplemente se transfiere hacia otro río arriba.

Intrigados por las similitudes entre la red real de embalses y la red virtual optimizada, Mamede y Araújo solicitaron la ayuda de los físicos expertos en sistemas complejos Nuno Araújo, Christian Schneider y Hans Herrman, del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich (ETH), para analizar la dinámica del transporte de agua en la cuenca. El primer reto del equipo consistió en determinar la localización y el área máxima de cada represa de la cuenca, desconocidas para más del 95% de esos reservorios. Caracterizaron los 3.798 reservorios mediante imágenes satelitales provistas por el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe), tomadas en los años excepcionalmente húmedos (2004, 2008 y 2009). Luego, utilizando imágenes de alta resolución del relieve obtenidas por la Misión Topográfica Radar Shuttle, de la Nasa, reconstruyeron en computadora el trazado de cada curso de agua de la cuenca, descubriendo así cómo cada represa se conectaba con otra.

Para asombro de todos, constataron que no había un valor típico promedio para el tamaño de las represas, cuya superficie varía entre 10 mil y 10 millones de metros cuadrados. Lo mismo ocurre con el número de sus conexiones: hay represas aisladas, conectadas solamente con el Orós, así como otras intercomunicadas con casi 400 embalses. “Existe una heterogeneidad muy alta, el sistema no posee un tamaño característico”, explica Nuno Araújo. “Decimos que se trata de una red libre de escalas”.

Con el mapa completo de la red, los datos pluviométricos de 131 estaciones meteorológicas diseminadas por la región y los datos de evaporación aportados por la estación Campos Sales, los investigadores crearon un modelo hidrológico que calculó cuánta agua recibía y vertía diariamente cada represa, entre 1991 y 2010. Descubrieron que, durante los días de lluvias intensas –dado el hecho de que los embalses recibieron agua de uno o más ríos y arroyos, pero sólo vertieron por una única salida–, ocurrían desbordes en serie. Por un efecto en cascada, el desborde de un embalse desencadenaba el desborde de otros, río abajo. Esas cascadas generalmente involucraban tan sólo a dos represas, pero podían, con una frecuencia considerable, afectar a 10, 100 y hasta mil reservorios.

Las frecuencias con que cascadas de intensidades diferentes ocurrían, obedecen a una distribución de probabilidad típica en otros fenómenos, tales como los terremotos y los apagones en las redes eléctricas, que los físicos explican mediante modelos conocidos como sistemas críticamente autoorganizados. Se denominan así porque son sistemas constituidos por varias partes interactuando, aparentemente en forma aleatoria, pero allí emergen leyes estadísticas simples, que señalan que las pequeñas alteraciones cuentan con posibilidades de provocar grandes reacciones en cadena dentro del sistema.

Por ahora, el grupo de la UFC utiliza este modelo para calcular el rol de los pequeños embalses y atenuar el impacto de las crecientes en los grandes reservorios. Ellos esperan aportar pronto nuevos detalles al modelo, tales como el transporte de sedimentos y contaminación, así como la integridad estructural de las represas, para que pueda utilizarse para evaluar las áreas de riesgo.

La arena, del mismo modo que otros materiales granulares, ejerce un poder casi hipnótico sobre la gente. Formados por granos en estado sólido, esos materiales se comportan a veces como un sólido y otras como un líquido, sin que los granos sufran ningún cambio de estado físico. Resulta difícil no quedar perplejo al tomar un puñado de arena y observar cómo se escurre entre los dedos, como si fuera agua, o también, al sentir que se comporta como un sólido al caminar sobre ella. “La explicación de este comportamiento es un problema que ya lleva 200 años”, dice Jason Gallas, físico de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul y de la Universidad Federal de Paraíba, quien participó en el estudio. “Michael Faraday, más conocido por sus trabajos sobre electromagnetismo, también realizó experiencias con materiales granulares”. En sus ensayos, el físico inglés se preguntó: ¿cómo definir cuándo los materiales granulados se comportan como sólidos y cuándo actúan como fluidos, al escurrir en un reloj de arena, por ejemplo?

Gallas y sus colegas Thorsten Pöschel y Dirk Rosenkranz, de la Universidad Friedrich-Alexander, en Erlangen, Alemania, no trabajaron específicamente en el problema que atormentó a Faraday. Pero descubrieron algo que, en un futuro, puede generar aplicaciones para la ingeniería de materiales sofisticados. Mediante un experimento bastante sencillo, colocaron material granulado –granos de cuarzo, de óxido de aluminio y de óxido de hierro– en una bandeja de acrílico que fue agitada en diferentes frecuencias y amplitudes bajo el control de una computadora. Y observaron lo que ocurría.

Sacudidos horizontalmente, entre 22 y 29 veces por segundo, los granos se desplazaban, sumergiéndose junto a las paredes del recipiente y emergiendo en la región central. A medida que los granos se movían, el conjunto se expandía lentamente, ocupando un volumen mayor en la zona central de la bandeja, para a continuación sufrir un colapso abrupto y retornar al volumen original.

Lo complejo fue interpretar lo que había ocurrido. Como el flujo de granos es constante, el volumen también debería serlo, ya que la cantidad de arena que se hunde en los bordes es la misma que sube en el área central.

Casi vacío
La primera explicación que surge es que, a medida que los granos se desplazan, el aire se acumula debajo de ellos y provoca la expansión. Pero los investigadores corroboraron que no necesariamente se trata de eso. Ellos repitieron los experimentos en un ambiente con baja presión (casi vacío) y obtuvieron idéntico resultado. “Si el aire aportara a tal efecto, su contribución sería ínfima”, dice Gallas.

El grupo tiene una hipótesis para explicar lo que sucede, que se relaciona con un fenómeno denominado dilatación de Reynolds. Descrito por Osborne Reynolds en 1885, este fenómeno ayuda a explicar la tendencia de los materiales granulares a expandir su volumen como consecuencia del reordenamiento de los granos. “A grandes rasgos, podemos pensar en términos de los antiguos puentes de piedra construidos sobre los ríos”, ejemplifica Gallas.

Del mismo modo que esas construcciones tenían como base pilares unidos por arcos de piedra, se imagina que el movimiento de los granos genera una reestructuración tridimensional del material, que origina algo similar a los arcos abriendo espacios vacíos entre las partículas. No obstante, mediante la acumulación de más y más granos, la estructura colapsa y se compacta.

Una forma de probar la hipótesis sería realizar simulaciones computadas demostrando in silico los efectos observados. Sin embargo, aunque Thorsten y Gallas son expertos en simulaciones, no existe la perspectiva de realizarlas de inmediato. Pese a ser un experimento sencillo, la realización de simulaciones virtuales en tres dimensiones sería bastante complicada porque involucra un elevado número de partículas.

“Este artículo es uno de los más relevantes entre nuestras investigaciones recientes”, comenta Pöschel, quien lidera un numeroso grupo de estudios de materiales granulares en Alemania. En realidad, pasaron más de 15 años desde la primera observación del efecto hasta su publicación. Uno de los motivos fue que el investigador del grupo de Pöschel que comenzó con el experimento consiguió otro empleo y abandonó al equipo. “Recién ahora lo reanudamos”, dice Gallas, quien pasó nueve meses en Erlangen trabajando en el problema.

Gallas enfatiza que el interés del grupo es la ciencia básica: ayudar en la comprensión de los complejos fenómenos que ocurren con los materiales granulares. Pero subraya que esas investigaciones podrían generar aplicaciones en un futuro. La ingeniería de materiales se vería muy beneficiada, en especial, en áreas tales como la fabricación de cerámicas ultraduras, que involucra la compactación y el procesamiento de granos. Comprender cómo se comportan los gránulos de la materia prima puede ayudar a compactar mejor el material, obteniendo un producto de mayor calidad.

Lo mismo vale para la industria de los CDs y DVDs. Los discos se fabrican a partir de material plástico granulado. No obstante, el proceso de manufactura es imperfecto. “En el proceso industrial de fabricación de esos objetos resulta común que haya pérdidas de hasta un 30%. Es demasiado”, dice Gallas, destacando que el camino con miras a mejorar esos índices consiste en comprender las sutilezas que atañen a los fenómenos involucrados.

Él y sus colegas están entusiasmados con el nuevo efecto, tan evidente y aún así desconocido, en el movimiento de los granos. Pero reconocen que se hallan lejos de comprenderlo completamente. Eso por no mencionar otros fenómenos que podrían descubrirse, a medida que se realicen nuevos estudios. “Tan sólo es el comienzo”, dice el brasileño.

Artículo científico
PÖSCHEL, T. et al. Recurrent inflation and collapse in horizontally shaken granular materials. Physical Review E. 2012.

Modelo computacional de ondas cuánticas: la dualidad partícula-onda de la materia genera las ganancias potenciales del mundo cuántico

¿Por qué una computadora cuántica podría, en teoría, realizar en minutos, cálculos que las más potentes supercomputadoras no podrían lograr ni en miles de millones de años?

Hasta 2007 parecía que no había otra respuesta posible a esta pregunta, a no ser que se atribuyeran las ventajas de una máquina impulsada por qubits, los bits cuánticos, al enmarañado o entrelazado cuántico, un fenómeno raro y misterioso que aumentaría exponencialmente la capacidad de procesamiento de datos. Partículas, átomos o moléculas descritos como caóticos, se encuentran tan fuertemente unidos entre sí –los físicos utilizan el término correlacionados– que son capaces de intercambiar información, independientemente de si se encuentran uno junto a otro, o a miles de kilómetros de distancia. A pesar de ser poderosa, la conexión también es frágil y solamente se mantiene bajo condiciones especiales, en sistemas extremadamente controlados, que no interactúan con el ambiente externo.

Durante los últimos cinco años, ganó terreno un nuevo concepto destinado a evaluar correlaciones no previstas por las leyes de la física clásica: la discordia cuántica, que actualmente aporta indicios de que quizá sea posible construir dispositivos cuánticos a partir de componentes sin ningún rasgo enmarañado. Y no se trata solamente de eso. Átomos y partículas con cierto nivel de discordia pueden conservar sus propiedades cuánticas a temperatura ambiente, en sistemas macroscópicos, y en situaciones en que exista ruido, entendido aquí como la influencia del medio externo en el sistema.

La discordia, derivada de un concepto similar de la teoría de la información, es una medida estadística utilizada para determinar si existe algo cuántico en un sistema físico, tal como un conjunto de electrones o moléculas. Los científicos realizan una serie de mediciones para descubrir si existen propiedades típicamente cuánticas, tales como la denominada dualidad partícula-onda, capaces de establecer un canal de comunicación entre algunos de los componentes del sistema. Esa conexión puede ser el propio entrelazamiento, la forma de conexión cuántica más potente que se conoce (aunque de difícil sostenimiento), u otros tipos de correlaciones cuánticas más débiles. La naturaleza exacta de estas correlaciones más leves aún no es conocida por los investigadores, pero existen evidencias de que pueden ser más duraderas que el enmarañado y suficientes para transmitir información.

“Anteriormente al concepto de discordia, muchos investigadores pensaban que los sistemas sin entrelazamiento no podían ser cuánticos”, dice Roberto Serra, de la Universidad Federal del ABC (UFABC), uno de los físicos brasileños que más se han abocado al tema dentro del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de la Información Cuántica (INCT-IQ), una iniciativa sostenida conjuntamente por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y por la FAPESP. “Pero estamos develando que, sistemas con algún tipo de discordia (y sin enmarañado) pueden ser robustos y servir como base para aplicaciones en metrología y computación”.

La discordia cuántica abarca, por ende, toda y cualquier correlación que se encuentra en discrepancia (por ello el nombre del concepto) con las leyes de la física newtoniana, palpables en lo cotidiano. La cantidad de discordia de un sistema, está dada por una ecuación matemática. “Si la medida de discordia fuera diferente de cero, el sistema tiene algo de cuántico”, explica el físico Felipe Fanchini, de la Universidad Federal de Ouro Preto (Ufop), quien ha publicado trabajos teóricos al respecto del nuevo concepto.

Con esa noción de discordia en mente, físicos de todo el mundo, entre quienes se destacan investigadores brasileños con algunos trabajos reciente, están encontrando algo cuántico en sistemas anteriormente percibidos como estrictamente clásicos, es decir, que aparentemente se hallaban regidos solamente por la física newtoniana. Un equipo de científicos del INCT-IQ publicó dos artículos prácticamente seguidos durante el segundo semestre del año pasado en la revista Physical Reviews Letters (PRL) con resultados de experimentos que investigan ese nuevo concepto.

En un artículo del 12 de agosto, Serra, junto con colaboradores del Instituto de Física de São Carlos en la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), en Río de Janeiro, y de Embrapa, informaron que midieron por primera vez en forma directa, la discordia en un sistema cuántico a aproximadamente 26 grados Celsius, creado mediante el empleo de la técnica de resonancia magnética nuclear. Se trata de un embrión de lo que algún día podría ser una computadora cuántica líquida.

En el laboratorio del CBPF, los investigadores codificaron dos qubits en moléculas de cloroformo (CHCl₃), un compuesto incoloro, denso y almibarado utilizado actualmente como solvente y materia prima para la producción de precursores de polímeros tales como el teflón. En rigor, codificaron un bit cuántico en el espín del núcleo del átomo de hidrógeno y otro en el de carbono al aplicarle un campo magnético de 12 teslas, millones de veces mayor que el de la Tierra, al sistema. El espín es una propiedad fundamental de las partículas elementales, tales como los electrones y los fotones, y de los núcleos de los átomos, que se suele representar con una flecha hacia arriba o hacia abajo. “Utilizamos pulsos de campo magnético para manipular el espín del núcleo”, afirma el físico Diogo de Oliveira Soares Pinto, del grupo de los profesores Tito Bonagamba y Eduardo Azevedo, de la USP de São Carlos, quien participó en el experimento. “En las condiciones en que realizamos el trabajo resulta imposible que haya entrelazamiento”.

El 30 de septiembre, un segundo artículo del mismo grupo en la PRL presentó otro resultado interesante, derivado nuevamente de observaciones realizadas en el sistema de dos qubits creado en las moléculas de cloroformo. Los investigadores midieron cambios súbitos en el comportamiento de la discordia cuántica en función del contacto con el medio ambiente. Observaron cómo los efectos cuánticos del sistema iban desapareciendo debido a fluctuaciones y ruidos del ambiente térmico. Al cabo de un tiempo, las interacciones podían modificar los dos qubits, provocando una progresiva pérdida de coherencia del sistema.

En el experimento, los físicos percibieron que la discordia parece ser bastante resistente a ambientes que provocan perturbaciones en el sistema. En los aproximados cinco mililitros de cloroformo utilizados en el experimento, tan sólo una de cada millón de moléculas del compuesto cargaba los qubits codificados en sus átomos. A pesar de hallarse “diluido”, en un sistema que es casi totalmente clásico, el carácter cuántico de la muestra de cloroformo se preserva y puede resultar de utilidad para el desarrollo de aplicaciones. “Cualquier proceso de comunicación debe tener el control sobre las formas de correlación de un sistema”, afirma Ivan Oliveira, del CBPF, uno de los coautores de los dos estudios citados. “Necesitamos separar la parte clásica y la cuántica de la información”.

Aún más recientemente, el 10 de febrero de este año, los brasileños publicaron un tercer artículo sobre discordia en la PRL. En esta ocasión, trabajaron con un sistema óptico, para el cual crearon una forma sencilla y directa de verificar si hay o no discordia en fotones, las partículas lumínicas. Se codificaron dos qubits utilizando una propiedad de los fotones, su polarización, si es horizontal o vertical, y se desarrolló un esquema de registro, como una sola medida, si existen o no correlaciones cuánticas en el sistema, un ardid denominado testigo de la discordia. Normalmente, se necesita seccionar el sistema en varias partes, tal como se realiza en una tomografía con fines médicos, y tomar al menos cuatro medidas para descubrir si existe una conexión cuántica entre los fotones. “Ahora, tan sólo con una medida, logramos establecer si podría o no haber discordia”, explica Stephen Walbom, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), coautor del estudio.

Un concepto ignorado durante años
La idea de la discordia cuántica inicialmente fue propuesta en 2001, por dos grupos de físicos que desarrollaron el concepto en forma independiente, el comandado por Wojciech H. Zurek, del Laboratorio Nacional de Los Alamos, en Estados Unidos, y el liderado por Vlatko Vedral, de la Universidad de Oxford, en Inglaterra. La propuesta no generó mucho impacto en la comunidad científica durante sus primeros años de vida. Se trataba de una idea bastante abstracta sobre un campo de estudio cuyo principal foco de interés giraba en torno del entrelazamiento, un misterioso fenómeno que Albert Einstein describiera como la existencia de una “acción fantasmagórica a distancia”.

En 2007, cuando aparecieron los primeros trabajos experimentales revelando que los sistemas a temperatura ambiente con discordia (y sin entrelazamiento) podían transmitir información por medio de bits cuánticos, gran parte de los físicos releyó los trabajos llevados a cabo seis años antes por Zurek y Vedral. Surgió un boom de interés por el tema. “La discordia cuántica arrojó nueva luz sobre cuestiones que se debatían hacía años”, comenta el físico Amir Caldeira, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), coordinador del INCT-IQ y autor de trabajos sobre la discordia.

Según Vlatko Vedral, no todo sistema que presenta discordia cuántica puede manipularse para generar aplicaciones en computación u otros campos. “Debemos ser cuidadosos al escoger los sistemas con los que vamos a trabajar. Este tema todavía está en discusión”, afirma el físico de Oxford. “Para comprender la diferencia que existe entre el mundo clásico y el cuántico, para comprender por qué un gato no puede estar en dos lugares simultáneamente, pero los átomos si pueden, creo que tenemos que ser capaces de discriminar los estados que presentan discordia de los que no la tienen”. Por ahora, los físicos tan sólo saben que ciertos sistemas con discordia (y sin entrelazamiento), tales como las moléculas de cloroformo o los fotones, pueden procesar los tan ansiados bits cuánticos.

El qubit es el análogo cuántico del bit clásico, definido como la menor unidad en que la información puede codificarse, almacenarse y transmitirse en las actuales computadoras y en los sistemas de telecomunicaciones, tales como fibras ópticas o redes inalámbricas. Existen, sin embargo, significativas diferencias entre ambos conceptos. En un momento determinado, un bit clásico, también denominado dígito binario, solamente puede hallarse en uno de dos valores o estados posibles: 0 ó 1, por ejemplo. En las computadoras actuales, el 0 está representado por la interrupción del voltaje en un circuito (estado off) y el 1 por el flujo de la corriente (estado on). Un qubit es algo más que eso. Puede, simultáneamente, representar los valores equivalentes a 0 y 1. Puede presentar una superposición de estados, una rara propiedad cuántica que potencia la realización de cálculos en paralelo. “Los qubits aumentan de manera exponencial la capacidad de la computación”, comenta Roberto Serra. “Simplificando, podríamos decir que dos qubits equivalen a 4 bits, 3 qubits a 8 bits, 4 qubits a 16 bits y así sucesivamente”.

La superposición de estados constituye una capacidad típica de los sistemas cuánticos (tanto estén formados por átomos, electrones, fotones o moléculas) de comportarse concomitantemente como partícula o como onda. De eso se trata la dualidad partícula-onda. La situación se torna menos surrealista cuando se toma como ejemplo la onda generada por una piedra arrojada sobre un lago. Ella genera oscilaciones en la superficie del agua con forma de círculos concéntricos que pueden, al mismo tiempo, atravesar dos puentes vecinos en la orilla del lago. En ese caso, si un puente fuera la representación del número 0 y el otro del 1, parte de la onda es 0 y parte es 1. La onda es 0 y 1 simultáneamente.

Pero una computadora cuántica que ofreciera dos respuestas para un problema tendría poco valor. Al fin y al cabo, tan sólo una de ellas es correcta. Ahí es donde interviene un segundo fenómeno cuántico, la interferencia de ondas. Retomando el ejemplo del lago, luego de atravesar los dos puentes, la onda 1 y la onda 0 se reencuentran. Esa interacción puede resultar destructiva, las ondas se cancelan y el resultado final es 0. O constructiva, las ondas se suman y la respuesta es 1. Los denominados algoritmos cuánticos son instrucciones matemáticas, especies de programas, que aumentan la probabilidad de superposición de estados y de la interacción de ondas para conducir a una respuesta certera al final del procesamiento de datos. ¿Raro? Sí. Bienvenido al mundo cuántico.

Artículos científicos
1. AGUILAR. G.H. et al. Experimental estimate of a classicality witness via a single measurement. Physical Review Letters.  v. 108, n. 6, p. 063601-1/ 063601-4. 10 feb. 2012.
2. AUCCAISE, R. et al. Environment-induced sudden transition in quantum discord dynamics. Physical Review Letters. v. 107, n. 14, p. 140403-1/ 140403-5. 30 sept. 2011.
3. AUCCAISE, R. et al. Experimentally witnessing the quantumness of correlations. Physical Review Letters. v. 107, n. 7, p. 070501-1/ 070501-5. 12 ago. 2011.

El envoltorio negro que protege a la computadora cuántica D-Wave One y su chip de 128 qubits: el equipo tiene el doble de la altura de un hombre, ocupa una superficie de 10 metros cuadrados y funciona a una temperatura cercana al cero absoluto

La caja negra de 10 millones de dólares
Con el tamaño de una habitación, la máquina con 128 qubits enmarañados es caracterizada como la primera computadora cuántica comercial

Cuando se cuente la historia de la computación cuántica, probablemente se recuerde el día 25 de mayo de 2011. En esa fecha, la compañía canadiense D-Wave Systems anunció, en el marco de un cierto escepticismo de la comunidad académica, la venta de la autotitulada primera computadora cuántica creada para fines comerciales. En lugar del chip de silicio, tal como sucede con los microprocesadores actuales, la D-Wave One, tal la denominación de la máquina, realiza cálculos explotando las propiedades cuánticas de un procesador con 128 qubits, implementados mediante un conjunto de anillos superconductores de corriente mantenidos a 30 milikelvin, una temperatura cercana al cero absoluto. La primera unidad de la supercomputadora costó supuestamente 10 millones de dólares a la empresa aeronáutica estadounidense Lockheed Martin, que la instaló al final del año pasado en el centro de computación cuántica de la Universidad de California del Sur (USC, su sigla en inglés), en el campus de Marina del Rey.

La D-Wave One es, literalmente, una gran caja negra. El procesador, que mide unos pocos centímetros, se encuentra protegido de las interferencias del medio exterior al hallarse cobijado en un compartimiento cerrado con el doble de la altura de un hombre y 10 metros cuadrados de superficie. Dentro de ese envoltorio con forma de cubo irregular hay sistemas de refrigeración y protección contra la incidencia de campos magnéticos externos, que son los encargados de garantizar las mejores condiciones para el procesado de los qubits.

“El chip cuántico está compuesto por 128 anillos superconductores idénticos, cada uno con un tamaño de 100 micrones (una centésima de milímetro)”, informa el físico teórico Frederico Brito, de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE), quien trabajó en la empresa D-Wave entre mayo de 2008 y julio de 2009. Cuando gira en los anillos en sentido antihorario, la corriente representa un espín hacia arriba (o el 0 de la computación clásica). Cuando corre en el sentido contrario, significa un espín hacia abajo (o el 1). Un dispositivo presente en cada anillo y denominado juntura Josephson genera efectos cuánticos, tales como tunelización e interferencia de ondas, que potencian la capacidad teórica del equipo para la resolución de problemas.

Para algunos físicos, la D-Wave One también es una caja negra en el sentido metafórico. Poca gente sabe cómo funciona la máquina y si en ella realmente ocurre algo cuántico. Para despejar dudas y vencer la reticencia de la comunidad académica, la empresa canadiense publicó un artículo el 12 de mayo del año pasado, menos de dos semanas antes de la divulgación de la venta de su primer computadora, en la prestigiosa revista científica británica Nature. En el trabajo, los científicos de la compañía brindan detalles acerca de la técnica utilizada para generar los 128 qubits. La máquina utiliza la denominada computación cuántica adiabática.

En forma simplificada, este tipo de computación consiste en hacer que un sistema trabaje con el menor nivel de energía posible, en el denominado estado fundamental, generalmente cercano a la temperatura del cero absoluto. Luego, se promueven modificaciones tan lentamente en el sistema que esas alteraciones son capaces de mantener las propiedades cuánticas del dispositivo sin hacerlo funcionar en el siguiente nivel de energía. En el caso de la computadora de la empresa D-Wave, las alteraciones consisten en hacer que la corriente cambie de sentido, del horario al antihorario, o viceversa.

Alrededor de un 85% de los qubits de la máquina ya se encuentran operativos, según Daniel Lidar, director del centro de computación cuántica de la USC. “Todavía no sabemos cuán potente es el procesador”, afirma Lidar. “Pretendemos estudiarlo con suma atención”. La D-Wave One fue desarrollada para buscar las mejores soluciones para ciertos tipos de problemas, tales como el reconocimiento de imágenes y los entramados de proteínas.