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La fuerza débil (más fuerte que la gravedad) juega un papel vital a la hora de explicar los procesos que gobiernan el Universo a escala fundamental.

Una de las fuerzas más fuertes de la naturaleza, literalmente llamada “fuerza fuerte”, mantiene unido el Universo asegurándose de que los átomos no se separen unos de otros. A primera vista, las fuerzas fuertes y débiles pueden parecer polos opuestos, con efectos apenas perceptibles a escala macroscópica. Sin embargo, es a nivel atómico donde su influencia es innegable.

La fuerza fuerte mantiene la cohesión de los núcleos atómicos, un fenómeno de inmensa importancia en nuestro universo.

Sin embargo, en el intrincado reino de las partículas y las fuerzas, no se puede ignorar la influencia de la fuerza débil. Esta fuerza tiene un alcance extremadamente corto, incluso más corto que el tamaño de un nucleón, y su efecto disminuye rápidamente a medida que aumenta la distancia.

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¿Qué es la 'fuerza débil'?

La fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Es responsable de la desintegración radiactiva que se observa en los elementos radiactivos, donde un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Esto se llama desintegración beta.

Este proceso implica la conversión de un quark down en un quark up, un cambio mediado por bosones. Los quarks y los bosones son partículas fundamentales que desempeñan papeles cruciales en el comportamiento de la materia y las fuerzas del Universo. Los quarks son los componentes básicos de los protones y neutrones, que componen el núcleo. Los bosones básicamente median las fuerzas fundamentales. Específicamente, los bosones W y Z facilitan la fuerza nuclear involucrada en la desintegración radiactiva.

Básicamente, la fuerza débil afecta a los componentes básicos de la materia (los quarks) que forman los protones y los neutrones. El equilibrio entre el número de protones y neutrones es fundamental en un núcleo.

Reacciones similares ocurren continuamente en el Sol y otras estrellas; de hecho, esto es lo que los hace brillar.

La fuerza débil, además de su papel en la desintegración beta, también participa en un proceso llamado captura de electrones. Ahí es donde el núcleo de un átomo atrapa un electrón en órbita en presencia de protones y neutrones, haciendo que un protón se transforme en un neutrón. Aunque esta acción incluye el intercambio de bosones (partículas que transportan la fuerza débil), demuestra la interacción entre las partículas materiales y estas partículas de bosones.

He aquí una forma divertida de pensarlo: imaginemos el átomo como una ciudad, con el núcleo como alcalde y el electrón como un turista itinerante. Si el mayor (núcleo) 'captura' al turista (electrón), puede transformar a uno de sus residentes locales (protón) en un tipo diferente de residente (neutrón). El proceso mediante el cual el alcalde interactúa con los turistas y residentes se ve facilitado por los “autobuses” (bosones).

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Perspectivas astrofísicas

En el núcleo de las estrellas prevalecen temperaturas y presiones extremas. Las reacciones nucleares que ocurren en un núcleo estelar están impulsadas por condiciones tan intensas debido a la fuerte fuerza observada entre las partículas subatómicas.

Ilustración del Sol (Créditos: Rashevskyi Viacheslav/Shutterstock)

Estas reacciones contribuyen a la nucleosíntesis estelar: la formación de elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio.

La reacción responsable de producir energía en estrellas como el Sol se llama reacción en cadena pp o reacción protón-protón. Cuatro protones se fusionan para formar un núcleo de helio, liberando energía en forma de calor y luz durante el proceso. Los neutrinos, llamados “partículas fantasmales”, no sólo son producto de la fuerza débil, sino que también pueden atravesar fácilmente los átomos sin interactuar realmente con ellos.

Estas partículas proporcionan información importante sobre los procesos internos de los cuerpos celestes. Como estas partículas subatómicas no interactúan con la materia circundante, son extremadamente valiosas para obtener información sobre el funcionamiento interno del Sol.

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¿Cómo se estudia realmente la fuerza débil?

Acelerador de partículas en el CERN

El avance tecnológico juega un papel importante en la adquisición de información sobre la fuerza débil. El estudio de la fuerza débil requiere experimentos y herramientas sofisticadas. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN es uno de esos instrumentos, que permite a los científicos recrear condiciones similares a las presentes justo después del Big Bang. Al colisionar partículas a altas velocidades, los investigadores pueden estudiar las partículas producidas y obtener información sobre las fuerzas fundamentales en juego, incluida la fuerza débil.

El descubrimiento del bosón de Higgs dentro del LHC fue un hito en la comprensión del papel de la fuerza débil. Esta partícula, asociada con el mecanismo por el cual las partículas ganan masa, proporcionó evidencia adicional para la teoría electrodébil, que unifica la fuerza débil con el electromagnetismo a altas energías.

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Unificación de fuerzas débiles y electromagnéticas.

Uno de los logros más notables en el ámbito de la física de partículas es la unificación de la fuerza débil y el electromagnetismo en un único marco teórico: la teoría electrodébil. La teoría electrodébil introduce el concepto de ruptura espontánea de simetría, explicando cómo los bosones W y Z, inicialmente pensados ​​como sin masa como los fotones, adquieren masa conservando las simetrías fundamentales de la fuerza débil y el electromagnetismo.

Resumiendo

En conclusión, la desintegración de partículas elementales inestables, como los mesones, esencialmente inicia la fusión nuclear que ocurre en los núcleos de las estrellas.

Si bien la fuerza nuclear débil puede no poseer la presencia de la fuerza fuerte, no se puede pasar por alto su importancia. Desde su papel en la desintegración beta y la producción de neutrinos hasta su influencia en la nucleosíntesis en las estrellas, la fuerza débil desempeña un papel fundamental en la configuración del cosmos.

A medida que nuestra comprensión se profundiza y la tecnología avanza, continuamos quitando las capas de esta fuerza sutil pero esencial, descubriendo los mecanismos que gobiernan el universo en sus escalas más pequeñas. Puede que la fuerza débil no acapare la atención de los amantes de lo cuántico, pero sus contribuciones son de extrema importancia para todas las ramas de la física.

Referencias (haga clic para ampliar)

1. Fabbri, L. (2011, 1 de julio). Del tensor de torsión de los espinores a las fuerzas débiles de los leptones. Revista Internacional de Física Teórica. Springer Science y Business Media LLC.
2. Fuerzas | Universo.
3. Fuerzas Fundamentales.
4. Howe, AR, Grohs, E. y Adams, FC (20 de septiembre de 2018). Procesos nucleares en otros universos: Variando la fuerza de la fuerza débil. Revisión física D. Sociedad Estadounidense de Física (APS).

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El JWST ya es famoso por acceder a información que antes no se podía obtener. Ahora ha conseguido determinar la temperatura de un exoplaneta. Los astrónomos consideran ampliamente al Telescopio Espacial James Webb (JWST) como el pináculo de los telescopios espaciales. El telescopio más grande y potente jamás lanzado al espacio, es el sucesor del Telescopio Espacial Hubble.

Muchos creen que con el JWST podremos observar regiones del universo más distantes que nunca. Se compone de varias cámaras y espectrómetros que pueden detectar radiación infrarroja. Algunos de estos instrumentos incluyen el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSPEC), el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) y la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam).

Los científicos esperan obtener información que nos ayude a determinar cómo era el universo primitivo, junto con la formación y evolución de las galaxias y el nacimiento de estrellas dentro de gas y polvo nebulosos.

Sin embargo, otra misión esencial del JWST es investigar las atmósferas de exoplanetas y determinar si los planetas observados tienen los ingredientes necesarios para albergar vida.

El 27 de marzo de 2023, el JWST logró medir la temperatura diurna de un exoplaneta rocoso, TRAPPIST-1 b. En este artículo veremos cómo el JWST logró esto.

Ilustración artística del planeta TRAPPIST-1 b, con un lado siempre mirando hacia su estrella madre. El JWST recientemente logró medir su temperatura (Créditos: Dotted Yeti/Shutterstock)

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Midiendo teóricamente la temperatura de un planeta

En teoría, podemos medir la temperatura de los cuerpos celestes mediante una ley llamada Ley de Stefan-Boltzmann. Esta ley relaciona la temperatura de un cuerpo con su flujo (una medida de cuánta luz emite).

Entonces, para calcular teóricamente la temperatura de un planeta, necesitamos encontrar el flujo de su estrella madre (que se puede medir), la distancia entre ese planeta y su estrella, y el “albedo” del planeta. El albedo es una cantidad que representa la fracción de la luz de las estrellas reflejada en un planeta.

Un planeta con un albedo de 1 (uno) reflejaría perfectamente toda la luz que incide sobre él, mientras que uno con un albedo de 0 (cero) absorbería toda la radiación que incide sobre él.

Este diagrama muestra cómo las nubes y la superficie de la Tierra reflejan y absorben la luz solar. El albedo explica la cantidad de luz solar que se refleja. (Créditos: ValentinaKru/Shutterstock)

Luego, los astrónomos determinan la temperatura del planeta utilizando el valor del albedo del planeta y el flujo total de su estrella anfitriona.

Este método de calcular la temperatura del planeta es un enfoque simple y bastante tosco, ya que no tiene en cuenta los procesos y mecanismos físicos internos de la atmósfera del planeta, como su redistribución del calor. Tampoco tiene en cuenta el hecho de que el lado cercano y lejano del planeta en relación con la estrella tendrán diferentes temperaturas.

Sin embargo, podemos desarrollar modelos que tengan en cuenta el efecto de la atmósfera en la redistribución del calor alrededor del planeta. Estos modelos también pueden explicar el impacto del bloqueo de las mareas, cuando un lado del planeta mira hacia la estrella para siempre, e incluso el color de la superficie del planeta (cuanto más oscura sea, más radiación del espacio será absorbida).

Lea también: ¿Cómo determinan los científicos la composición y la atmósfera de otros planetas?

Medición de la temperatura de un planeta mediante MIRI

El JWST consta de varias cámaras y espectrómetros a bordo. Utilizando el instrumento de infrarrojo medio (MIRI), que consta de una cámara y un espectrógrafo, se midió la temperatura diurna del planeta TRAPPIST-1 b.

Este es un modelo del Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI) presente en el JWST (Créditos: Wikimedia Commons)

El MIRI realizó las observaciones fotométricas de TRAPPIST-1 b justo cuando comenzaba su eclipse secundario. Un eclipse secundario se refiere a cuando un exoplaneta comienza a ir detrás de su estrella anfitriona, visto por un observador como el JWST. El JWST tomó las observaciones utilizando el filtro F1500W del MIRI. Este filtro permite detectar radiación infrarroja de longitudes de onda particulares, como las que los científicos esperan ver en los exoplanetas.

Como TRAPPIST-1 b es un planeta, no emite luz propia. Sin embargo, brilla cuando se observa en el rango infrarrojo. El MIRI es, por tanto, una herramienta de observación ideal para exoplanetas. Al detectarlo en infrarrojos, podemos encontrar su flujo o brillo.

El MIRI, utilizando el filtro F1500W, observó TRAPPIST-1 b durante cinco instancias diferentes de observaciones secundarias. Los datos de observación consisten en la medición del brillo del planeta en radiación infrarroja. Luego, los científicos la reducen y optimizan mediante software y obtienen una “curva de luz” del exoplaneta.

Este diagrama da un ejemplo de una curva de luz. Este es el que se obtiene al observar el exoplaneta TRAPPIST-1 c, mientras sufre un eclipse secundario. (Créditos: Telescopio espacial James Webb de la NASA)

La curva de luz muestra cómo el flujo infrarrojo disminuye cuando comienza el eclipse secundario. Antes de que comience este eclipse, el JWST registra el brillo de la estrella TRAPPIST-1 y su exoplaneta TRAPPIST-1 b. Sin embargo, cuando el planeta comienza a moverse detrás de su estrella, queda oculto a la vista del telescopio. Se muestra como una ligera disminución en el brillo observado por el JWST. Esta reducción del brillo se produce como una pequeña caída en la curva de luz.

Para obtener la temperatura del planeta, los astrónomos primero miden esta disminución de brillo, también llamada profundidad del eclipse, utilizando la curva de luz del exoplaneta. Encuentran el flujo del planeta durante el día utilizando este valor de profundidad. Luego, los astrónomos utilizaron la ley de radiación de Planck para determinar la temperatura.

Utilizando este método, la temperatura diurna del exoplaneta TRAPPIST-1 b se estimó en alrededor de 503 K.

Lea también: ¿Por qué el telescopio espacial James Webb (JWST) ve el espacio en luz infrarroja?

Temperatura y atmósfera de TRAPPIST-1 B

Este diagrama ofrece una comparación de la temperatura de TRAPPIST-1 b medida con el JWST con la obtenida con modelos informáticos. También destaca la temperatura de la Tierra y Mercurio (Créditos: Telescopio espacial James Webb de la NASA)

Mientras tanto, los modelos informáticos muestran que si no tuviera una atmósfera con una distribución adecuada del calor, TRAPPIST-1 b tendría una temperatura ligeramente superior a 500 K. Sin embargo, si TRAPPIST-1 b tuviera una atmósfera que distribuyera el calor uniformemente, su temperatura diurna se acercaría a los 400 K.

La comparación de esos modelos parece implicar que TRAPPIST-1 b es más probablemente un planeta rocoso sin atmósfera. Si tuviera atmósfera, el calor se distribuiría uniformemente sobre ella, bajando su temperatura durante el día.

Esta hazaña del JWST es sólo el comienzo. Su capacidad para encontrar un eclipse secundario es en sí misma un logro enorme. Al medir la temperatura de un planeta, podemos descubrir si tiene atmósfera, lo cual es un paso esencial para determinar si un planeta podría albergar vida.

Lea también: ¿Cuál es la temperatura en el espacio exterior?

Con más observaciones de este tipo de otros planetas, aprenderemos más sobre las posibilidades de que la vida evolucione en otros planetas. Descubrir más sobre los orígenes de la vida es también una de las misiones de JWST. Los científicos esperan que esta nueva generación de observaciones pueda proporcionar más información sobre las propiedades de las atmósferas presentes en otros exoplanetas del cosmos.

Referencias (haga clic para ampliar)

1. Astronomía del Sistema Solar, Conferencia Número 8.
2. Telescopio espacial James Webb | Universidad de Arizona.
3. Instrumento de infrarrojo medio (MIRI): telescopio espacial James Webb.
4. Ciencia del telescopio espacial James Webb.
5. Webb de la NASA mide la temperatura de una roca….
6. TP Greene. (2023) [2303.14849] Emisión térmica desde el tamaño de la Tierra….

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La achicoria en polvo se obtiene de las raíces de una planta herbácea buscada por sus propiedades medicinales desde la antigüedad. Se agrega al café por razones financieras, pero la achicoria también aumenta el sabor del café y reduce el contenido general de cafeína. Con el tiempo, la gente en algunas partes del mundo se ha acostumbrado al sabor del café mezclado con achicoria y ahora prefiere la mezcla en lugar del café puro.

Cuando compras tu café favorito en la tienda, ¿te aseguras de si es 100% café o si está mezclado con otra cosa? Muchos posos de café y café instantáneo en polvo se mezclan con achicoria. El polvo de achicoria tostada, por sí solo, también se puede preparar como una bebida similar al café.

Entonces, ¿qué es la achicoria y por qué la añadimos al café?

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¿Qué es la achicoria?

La achicoria (Cichorium intybus) es una planta herbácea de flores azules perteneciente a la familia de los girasoles Asteraceae. Se cultiva en muchas partes del mundo, principalmente en regiones templadas y semiáridas. Las hojas de otras especies de Cichorium se utilizan como verduras de hojas verdes que se añaden a las ensaladas y se conocen con los nombres de achicoria y escarola.

La achicoria se ha utilizado desde la antigüedad como verdura y en la medicina tradicional por sus propiedades antioxidantes y antiinflamatorias. También se cree que protege el hígado, ayuda con la diabetes e inhibe los tumores. Las raíces y hojas de achicoria se utilizan como hortalizas y se valoran como una rica fuente de fibra, micronutrientes y fitoquímicos. Las raíces principales son ricas en inulina, un carbohidrato de almacenamiento que se utiliza como nutracéutico.

Quizás el uso más conocido de la achicoria en la actualidad sea como sustituto del café.

La achicoria (Cichorium intybus) es una planta herbácea con flores azules o violetas (Créditos: Nikolaydonetsk/Envato Elements)

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Achicoria En Café

Las raíces de achicoria tostadas se utilizan como sustituto del café sin cafeína debido a su sabor parecido al del café y su agradable sabor después de prepararlo. Sin embargo, no espere el “golpe de cafeína”, ya que la achicoria no contiene cafeína.

Para procesar la achicoria para la elaboración de cerveza, las raíces se secan en un horno, se tuestan y luego se muelen. Este procesamiento cambia la composición bioquímica de las raíces de achicoria. El carbohidrato inulina se carameliza y se convierte en D-fructosa. Esta D-fructosa caramelizada hace que la achicoria se prepare de color marrón oscuro, reduce el amargor de las raíces y agrega algo de dulzura.

La achicoria a menudo se mezcla con café debido a la similitud en sabor y color. Agregar achicoria reduce el contenido total de cafeína, al tiempo que le da un sabor amaderado y a nuez. Una ventaja adicional es que la achicoria es más soluble en agua que el café. Por lo tanto, es necesario agregar menos achicoria que café para obtener el mismo color marrón oscuro.

Sin embargo, la razón principal por la que se añade achicoria al café tiene que ver con mantener altos los márgenes.

La achicoria se puede encontrar tanto en el café instantáneo como en el café molido artesanal preenvasado. Por lo tanto, si quieres evitar la achicoria, tendrás que comprobar específicamente los ingredientes de la bolsa de café u optar por granos recién molidos.

Las raíces de achicoria tostadas se utilizan como sustituto del café sin cafeína debido a su sabor parecido al del café y su sabor agradable después de prepararlo (Créditos: photopopova/Envato Elements)

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La achicoria es más barata que el café

La práctica de agregar achicoria al café comenzó en Europa y Estados Unidos en el siglo XVIII durante tiempos de crisis económica cuando había escasez de oferta de café. A finales del siglo XVIII se prohibió la importación de café a Alemania. Durante este tiempo, la gente pasó a beber infusiones de achicoria o mezclar achicoria con café para adaptarse a la oferta limitada de java tradicional.

El café fue introducido en Estados Unidos por los franceses a principios del siglo XVIII. El puerto de Nueva Orleans era un importante importador de café. Durante la Guerra Civil estadounidense, el puerto fue bloqueado y las importaciones de café se vieron afectadas. Fue entonces cuando la gente de Nueva Orleans empezó a mezclar achicoria con café. El café mezclado con achicoria se consumió ampliamente durante la Guerra Civil y la Gran Depresión, cuando la oferta era limitada y escaseaba el dinero.

Hoy en día, el café mezclado con achicoria ya no es común en Europa y Estados Unidos, excepto en algunas regiones específicas. Sin embargo, la achicoria preparada sola se utiliza como café sin cafeína.

Nueva Orleans es una región donde el café mezclado con achicoria sigue siendo una tradición.

Sin embargo, en otros países, como la India, el café mezclado con achicoria sigue siendo común. Los consumidores de café filtrado del sur de la India prefieren agregar hasta un 20% de achicoria a su café porque le da al café filtrado un sabor diferente (léase: mejor) y un color más oscuro.

Sin embargo, la razón principal por la que se añade achicoria al café tiene que ver con mantener altos los márgenes. (Créditos: ADragan/Freepik)

Cuando el precio del café aumenta, se sabe que los fabricantes de café aumentan la proporción de achicoria en su café del 30% al 49% para proteger sus márgenes.

Las autoridades reguladoras de alimentos limitan el contenido máximo permitido de achicoria en el café al 49% y exigen que dicho café mezclado no esté etiquetado como “café puro”. Aun así, no todos los fabricantes de café cumplen.

Las asociaciones de productores de café de la India están rechazando la práctica de añadir achicoria al café porque afecta negativamente a sus finanzas.

Conclusión

La achicoria se añade al café principalmente para reducir los costos de fabricación. Sin embargo, cuando se agrega en pequeñas proporciones, agrega un sabor a nuez al café. Como no contiene cafeína, reduce el contenido general de cafeína de la mezcla de café. Aunque el café mezclado con achicoria se utilizó por primera vez en Europa, hoy en día los europeos prefieren tomar café puro o infusión descafeinada de achicoria pura. Las mezclas de achicoria siguen siendo populares en regiones específicas de EE. UU. (como Nueva Orleans), así como en la India.

Referencias (haga clic para ampliar)

1. Birsa, ML y Sarbu, LG (8 de marzo de 2023). Beneficios para la salud de los componentes clave de Cichorium intybus L. Nutrients. MDPI AG.
2. Puhlmann, M.-L. y de Vos, WM (julio de 2020). De regreso a las raíces: revisando el uso del Cichorium intybus L. Taproots, rico en fibra. Avances en Nutrición. Elsevier BV.
3. La historia de la mezcla de café de achicoria que Nueva Orleans….
4. Las empresas cafeteras añaden achicoria a sus mezclas para proteger los márgenes.
5. ¿Qué es la achicoria?.