I pesci piccoli sostentano le barriere coralline
Importanti novità sull’entanglement quantistico
Il professore di fisica della Louisiana State University Mark M. Wilde e il suo collaboratore Xin Wang hanno risolto un problema che risale a 20 anni addietro, nella teoria dell’informazione quantistica: come va calcolato il costo dell’entanglement – un modo per misurare l’entanglement – di modo che sia efficacemente calcolabile, utile e ampiamente applicabile in diverse aree di ricerca quantistica. Wilde e Dr. Xin Wang di Baidu Research descrivono come consentire una gamma leggermente più ampia di operazioni fisiche, rispetto a ciò che è noto come LOCC (operazioni locali e comunicazione classica) – che avevano sbalordito scienziati per una matematica difficile per qualche tempo – rendendo possibile caratterizzare l’esatto costo di entanglement di un dato stato quantico. Il lavoro chiude un’indagine di lunga data sulla teoria dell’entanglement, nota come “costo di entanglement esatto PPT di uno stato quantico“. La scienza dell’informazione quantistica mira a comprendere e controllare le proprietà strane e talvolta spettrali degli stati quantistici (cioè, gli stati intrecciati) che consentono attività di elaborazione delle informazioni impossibili nel mondo non quantico, come il teletrasporto, il calcolo quantistico e la comunicazione assolutamente sicura. L’unità più elementare di entanglement è conosciuta come stato di Bell. Va pensata come la più piccola molecola possibile composta da due atomi intrecciati (qubit, in realtà) il cui entanglement è assoluto .Ciò implica, se potessi sbirciare uno di loro, sapresti oltre ogni dubbio che l’altro sarebbe il suo gemello, con le stesse caratteristiche. Come due persone che lanciano una moneta; se una persona ottiene la coda, il che è ragionevolmente una probabilità del 50/50, l’altra sarebbe garantita per ottenere la coda (o entrambi ottengono la testa, stessa cosa), una conseguenza dell’entusiasmo assoluto o di uno stato di Bell. Inoltre, nessun altro nell’universo può conoscere l’esatto risultato del lancio della moneta, e questa è la ragione principale per cui una comunicazione protetta basata sull’entanglement quantistico è possibile e desiderabile. “L’entanglement quantistico, -ha spiegato Wilde-è una sorta di super correlazione condivisa da due parti distanti. Se il mondo fosse descritto solo dalla fisica classica, non sarebbe possibile avere le forti correlazioni disponibili con l’entanglement quantistico. Tuttavia, il nostro mondo è fondamentalmente meccanico quantistico e l’entanglement ne è una caratteristica essenziale.” Quando l’entanglement quantistico fu scoperto per la prima volta negli anni ’30, si pensava che fosse un fastidio: era difficile da capire e non era chiaro quali sarebbero stati i suoi benefici. Con l’ascesa della scienza dell’informazione quantistica negli anni ’90, è stata intesa in senso teorico come la chiave di notevoli tecnologie quantistiche. Esempi recenti di tali tecnologie includono l’esperimento di teletrasporto cinese da terra a satellite nel 2017 e il successo di supremazia quantistica computazionale di Google, l’anno scorso. Alla LSU, fisici quantistici come Omar Magaña-Loaiza e Thomas Corbitt eseguono abitualmente esperimenti che potrebbero beneficiare della nuova e più precisa misura di Wilde e Wang. Nei rispettivi laboratori, Magaña-Loaiza, hanno recentemente generato stati intrecciati attraverso misurazioni condizionali, che costituiscono un passo importante nello sviluppo di sistemi simili a laser intrappolati, mentre Corbitt ha condotto uno studio sull’ entanglement optomeccanico, che ha il potenziale di essere una fonte affidabile di entanglement multifotone a lunghezze d’onda corte. La nuova misura di entanglement di Wilde e Wang, chiamata? entanglement o negatività max-logaritmica, può essere utilizzata per valutare e quantificare l’ entanglement prodotto in una vasta gamma di esperimenti quantistici-fisici. Le unità di entanglement di base o gli stati di Bell sono anche noti come e-bit. L’entanglement può essere visto in due modi diversi: o quanti bit elettronici ci vorranno per preparare uno stato quantico, o quanti bit elettronici uno si potrebbero estrarre o “distillare” da uno stato complesso aggrovigliato. Il primo è noto come costo di entanglement ed è il problema considerato da Wilde e Wang. “Gli e-bit sono una risorsa preziosa, -ha detto Wilde– e quindi da usarne il minor numero possibile. In fisica, spesso vuoi guardare sia al processo in avanti che al processo all’indietro. È reversibile? E se lo è, perdo qualcosa lungo la strada? E la risposta è sì.” Wilde ammette che il problema che lui e Wang hanno risolto è in qualche modo esoterico: un trucco matematico. Tuttavia, questo consentirà agli scienziati dell’informazione quantistica di calcolare in modo efficiente i costi di entanglement, dati determinati vincoli.
“Non tutte le misure di entanglement, -ha aggiunto Wilde– sono calcolabili in modo efficiente e hanno un significato come costo di entanglement. Questa è una distinzione chiave tra tutto il lavoro precedente e il nostro”. Mentre la mancanza di questo tipo di misura è stata un tallone di Achille nella scienza dell’informazione quantistica per oltre 20 anni, il successo inaspettato è stato dovuto – ironia della sorte – a Wilde divenuto max-negativamente “impigliato” durante una partita di basket nel 2018 che lo ha portato, alla fine con Wang a riuscire a risolvere il problema. “Mi sono rotto il tallone d’Achille, -ricorda Wilde– mentre cercavo il punto vincente del gioco, poi ho subito un intervento chirurgico per ripararlo e non sono riuscito ad alzarmi dal letto per un mese e mezzo”. “Così, ho scritto un documento di ricerca sul costo di entanglement – prosegue Wilde-e quando Xin Wang lo ha saputo, mi ha chiesto se fossi stato interessato a sviluppare ulteriormente questo problema. Abbiamo quindi iniziato a lavorare insieme, avanti e indietro, e quello è diventato il documento ora pubblicato. In seguito, siamo diventati buoni amici e collaboratori -ma è davvero sorprendente le sorprese che possono verificarsi nella vita “.
I funghi possono aiutare nell’invecchiamento cerebrale
Funghi commestibili 
Uno studio di sei anni, condotto dal professore Lei Feng dell’Università Nazionale di Singapore, ha rilevato che gli anziani che mangiavano più di 300 grammi di funghi cucinati alla settimana avevano la metà delle probabilità di avere un lieve deficit cognitivo. Dr. Irwin Cheah (a destra) è un altro membro del team di ricerca dell’università di Singapore. Una squadra del Dipartimento di Medicina Psicologica e Dipartimento di Biochimica della Yong Loo Lin School of Medicine dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) ha scoperto che gli anziani che consumano più di due porzioni standard di funghi settimanali possono avere il 50% di probabilità ridotte di avere, lieve deterioramento cognitivo (MCI). La porzione era definita come tre quarti di una tazza di funghi cotti con un peso medio di circa 150 grammi. Due porzioni equivalgono a circa mezzo piatto. Mentre le dimensioni delle porzioni fungono da linea guida, è stato dimostrato che anche una piccola porzione di funghi alla settimana si rivela utile per ridurre le probabilità di MCI. “La correlazione è sorprendente e incoraggiante: sembra che un singolo ingrediente, – ha detto il professor Lei Feng, del Dipartimento di Medicina Psicologica del NUS- comunemente disponibile possa avere un effetto drammatico sul declino cognitivo” . Lo studio condotto dal 2011 al 2017, con il sostegno del Life Sciences Institute e del Mind Science Center del NUS, nonché del National Medical Research Council del Ministero della Salute di Singapore ha raccolto dati di oltre 600 anziani cinesi di età superiore ai 60 anni residenti a Singapore.
Determinazione di MCI negli anziani
L’MCI è generalmente vista come lo stadio tra il declino cognitivo dell’invecchiamento normale e il più grave declino della demenza. Gli anziani affetti da MCI spesso mostrano qualche forma di perdita di memoria o dimenticanza e possono anche mostrare deficit su altre funzioni cognitive come la lingua, l’attenzione e le abilità visuospaziali. I cambiamenti possono essere impercettibili, poiché non presentano deficit cognitivi invalidanti che influenzano le attività della vita quotidiana, caratteristiche dell’Alzheimer e di altre forme di demenza senile. “Le persone con MCI – ha spiegato il prof. Feng-, sono ancora in grado di svolgere le loro normali attività quotidiane. Questo studio ha determinato se questi anziani hanno prestazioni più scarse nei test standard neuropsicologici rispetto ad altre persone della stessa età e formazione”. I test neuropsicologici sono specificamente progettati e possono misurare vari aspetti delle capacità cognitive di una persona, infatti alcuni dei test che abbiamo utilizzato in questo studio sono adottati dalla batteria di test IQ comunemente usata, la Wechsler Adult Intelligence Scale (WAIS).” In quanto tali, sono state condotte interviste e test approfonditi con gli anziani per determinare una diagnosi accurata. “L’intervista, -ha dichiarato il prof Feng -prende in considerazione informazioni demografiche, anamnesi, fattori psicologici e abitudini alimentari: un infermiere misurerà la pressione sanguigna, il peso, l’altezza, l’impugnatura e la velocità del cammino e eseguirà anche un semplice test di screening su cognizione, depressione, ansia “. Dopo questo, è stata eseguita una valutazione neuropsicologica standard di due ore, insieme a un punteggio di demenza. I risultati complessivi di questi test sono stati discussi in profondità con esperti psichiatri coinvolti nello studio per ottenere un consenso diagnostico.
Funghi e deterioramento cognitivo
Sei funghi comunemente consumati a Singapore sono stati citati nello studio. Erano funghi d’oro, ostriche, shiitake e bianchi, oltre a funghi secchi e in scatola. E’ probabile che anche altri funghi non citati abbiano effetti benefici. La ragione della ridotta prevalenza di MCI nei mangiatori di funghi potrebbe essere dovuta a uno specifico composto presente in quasi tutte le varietà. “Siamo interessati a un composto chiamato ergothioneine (ET)”,- ha affermato il dott. Irwin Cheah, Senior Research Fellow del Dipartimento di Biochimica del NUS_- l’ET è un antiossidante e anti-infiammatorio unico che gli esseri umani non sono in grado di sintetizzare da soli, ma può essere ottenuto da fonti alimentari, tra le quali i principali sono i funghi”. Uno studio precedente condotto dal gruppo, sugli anziani di Singapore, ha rivelato che i livelli plasmatici di ET nei partecipanti con MCI erano significativamente inferiori rispetto agli individui sani di età corrispondente. Il lavoro ha portato alla convinzione che una carenza di ET potrebbe essere un fattore di rischio per la neurodegenerazione, e l’aumento dell’apporto di ET attraverso il consumo di funghi potrebbe promuovere la salute cognitiva. Altri composti contenuti nei funghi possono anche essere vantaggiosi per ridurre il rischio di declino cognitivo. Alcuni hericenones, erinacines, scabronine e dictyophorines possono promuovere la sintesi dei fattori di crescita del nervo. I composti bioattivi nei funghi possono anche proteggere il cervello dalla neurodegenerazione inibendo la produzione di beta amiloide, tau fosforilata e acetilcolinesterasi.
Rimozione sostanze tossiche nell’acqua con metodo ecologico
I ricercatori dell’Università di Swansea hanno sviluppato un nuovo metodo ecologico per la rimozione di sostanze chimiche tossiche dall’acqua. Una macchina di nuova invenzione, chiamata Matrix Assembly Cluster Source (MACS), è stata utilizzata per progettare un metodo innovativo di trattamento delle acque utilizzando un approccio privo di solventi. La ricerca, condotta all’Institute for Innovative Materials, Processing and Numerical Technologies (IMPACT) all’interno del College of Engineering della Swansea University, è guidata dal professor Richard Palmer. “Le molecole organiche dannose,- spiega Palmer- vengono distrutte da un potente agente ossidante, l’ozono, che viene potenziato da un catalizzatore. Di solito tali catalizzatori sono fabbricati con metodi chimici usando solventi, il che crea un altro problema: come gestire gli effluenti dal processo di fabbricazione? L’innovazione di Swansea è una macchina appena inventata che produce il catalizzatore con metodi fisici, senza solventi e quindi senza effluenti. La nuova tecnica è un cambiamento radicale nell’approccio al trattamento delle acque e ad altri processi catalitici “.: “Il nostro nuovo approccio alla realizzazione di catalizzatori per i trattamenti delle acque- ha continuato Palmer- utilizza un processo fisico basato sul vuoto e privo di solventi. Le particelle di catalizzatore sono ammassi di atomi d’argento, realizzati con la macchina MACS appena inventata. Risolve il problema di vecchia data del basso tasso di produzione dei cluster – il che significa che, per la prima volta, è ora possibile produrre abbastanza cluster per lo studio a livello di provetta, con il potenziale per poi scalare ulteriormente al livello di produzione in piccoli lotti e oltre. ” I grappoli sono circa 10.000 volte più piccoli della larghezza di un capello umano e sono stati di notevole interesse per i ricercatori a causa delle loro proprietà uniche. Tuttavia, a causa del tasso inadeguato di produzione di cluster, la ricerca in questo settore è stata limitata. Il nuovo metodo MACS ha cambiato questo aspetto: aumenta l’intensità del fascio di cluster per produrre abbastanza grammi di polvere di cluster per test pratici. L’aggiunta di ozono alla polvere, quindi, distrugge i prodotti chimici inquinanti dall’acqua, in questo caso il nitrofenolo. “L’approccio MACS alla progettazione su scala nanometrica di materiali funzionali -riassume Palmer sul potenziale futuro di questa tecnologia rivoluzionaria, – apre orizzonti completamente nuovi in una vasta gamma di discipline – dalla fisica e chimica alla biologia e ingegneria. Pertanto, ha il potere di consentire progressi radicali nella tecnologia avanzata: catalizzatori, biosensori, materiali per la generazione e lo stoccaggio di energia rinnovabile. Sembra molto appropriato che la prima dimostrazione pratica del processo di produzione ecocompatibile di Swansea riguardi qualcosa di cui tutti siamo preoccupati: l’acqua pulita! “
Lo schema e la mappa
Transistor quantistico a singolo fotone per i computer quantici | Giuseppe Benanti
Il transistor quantistico a semiconduttori, per il calcolo, oggi basato su fotoni
I ricercatori dimostrano sul primo transistor a singolo fotone usando un chip semiconduttore: un singolo fotone, memorizzato in una memoria quantica, commuta lo stato di altri fotoni. I transistor minuscoli interruttori sono il fondamento del moderno computing: miliardi di loro trasmettono segnali elettrici all’interno di uno smartphone, ad esempio. I computer quantistici
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| Chip nei computer quantistici |
abbisognano di hardware analogo per manipolare le informazioni quantistiche. I limiti di progettazione per questa nuova tecnologia sono rigorosi e i processori più avanzati di oggi non possono essere riutilizzati come dispositivi quantici. I vettori di informazioni quantistiche, soprannominati qubit, seguono regole diverse stabilite dalla fisica quantistica. Si possono usare molti tipi di particelle quantistiche come qubit, anche i fotoni che costituiscono la luce. I fotoniaggiungono appeal perché possono trasferire rapidamente le informazioni su lunghe distanze e sono compatibili con i chip fabbricati. Tuttavia, fare un transistor quantistico innescato dalla luce è difficile perché richiede che i fotoni interagiscano tra loro, qualcosa che normalmente non avviene spontaneamente. Al Joint Quantum Institute (JQI), Edo Waks dell’JQI, ha risolto questo ostacolo utilizzando il primo transistor a fotone singolo in un chip semiconduttore. E’ un dispositivo compatto: un milione di questi nuovi transistor può essere contenuto in un singolo granello di sale. È veloce, in grado di elaborare 10 miliardi di qubit fotonici ogni secondo. “Usando il nostro transistor, -afferma Waks– saremmo presto in grado di eseguire porte quantiche tra i fotoni”. Il software in esecuzione su un computer quantico userebbe una serie di tali operazioni per raggiungere una velocità esponenziale per alcuni problemi computazionali.Il chip fotonico
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| Un transistor fotonico |
è costituito da un semiconduttore con numerosi fori, molto simile a un nido d’ape. La luce che entra nel chip rimbalza e rimane intrappolata dal “motivo” piazzato nel buco; un piccolo cristallo chiamato punto quantico si trova all’interno dell’area in cui l’intensità della luce è più forte. Analogamente alla memoria convenzionale del computer, il puntomemorizza le informazioni sui fotoni mentre entrano nel dispositivo. Il punto può attingere efficacemente a quella memoria per mediare le interazioni del fotone, quindi le azioni di un fotone influenzano gli altri che in seguito arrivano al chip. “In un transistor a singolo fotone -afferma Shuo Sun, ricercatore post-dottorato alla Stanford University- la memoria dei punti quantici deve persistere abbastanza a lungo da interagire con ogni qubit fotonico. Questo permette ad un singolo fotone di cambiare un flusso più grande di fotoni, essenziale per il nostro dispositivo che deve essere considerato un transistor.” Per verificare che il chip funzionasse come un transistor, è stato esaminato il modo in cui il dispositivo rispondeva a deboli impulsi di luce che di solito contenevano solo un fotone. In un ambiente normale, una luce così fioca potrebbe registrare a malapena. Tuttavia, in questo dispositivo, un singolo fotone rimane intrappolato per un lungo periodo, registrando la sua presenza nel punto vicino. Un singolo fotone poteva, interagendo con il punto, controllare la trasmissione di un secondo impulso luminoso attraverso il dispositivo. Il primo impulso luminoso dunque,agisce come una chiave, aprendo la porta per il secondo fotone per entrare nel chip. Se il primo impulso non conteneva alcun fotone, il punto bloccava i successivi fotoni. Un comportamento simile a un transistor convenzionale in cui una piccola tensione controlla il passaggio della corrente attraverso i suoi terminali. I ricercatori hanno sostituito con successo la tensione con un singolo fotone e hanno dimostrato che il loro transistor quantico poteva commutare un impulso luminoso contenente circa 30 fotoni prima che la memoria del punto quantico si esaurisse. Waks, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università del Maryland, dice che il suo team ha dovuto testare diversi aspetti delle prestazioni del dispositivo prima di far funzionare il transistor. “Finora, avevamo i singoli componenti, -afferma Waks-, necessari per creare un transistor a singolo fotone, ma qui abbiamo combinato tutti i passaggi in un unico chip”. Sun afferma che con miglioramenti ingegneristici realistici , consentirebbero di collegare molti transistor di luce quantistica. Dispositivi così veloci e altamente connessi alla fine porteranno a compatti computer quantici che elaborano un gran numero di qubit fotonici.
Quanti neutroni può contenere un nucleo ?
Quanti neutroni riesci a stipare in un atomo? Più di quanto pensassero i fisici.
Un ciclotrone superconduttore genera fasci di nuclei esotici presso il Riken
, i nuclei conosciuti e previsti formano un’andana a forma di sottaceto il cui limite inferiore segna la “linea di gocciolamento neutronico“: il numero massimo di neutroni che un nucleo può contenere.Radioactive Isotope Beam Facility di RIKEN a Wako, in Giappone, ed ha permesso di individuare i nuovi nuclei di calcio.
I fisici in Giappone hanno fatto esplodere i nuclei di calcio più pesanti mai visti, ciascuno contenente i 20 protoni necessari per creare l’elemento, ma con un numero enorme anche sino a 40 neutroni. È il doppio dei neutroni rispetto alla forma più comune di calcio e un paio in più rispetto al precedente. La scoperta suggerisce che potrebbe essere possibile stipare ancora più neutroni in nuclei di quanto si pensasse in precedenza, e potrebbe avere implicazioni per la teoria delle stelle di neutroni.
“E’ davvero un risultato importante e interessante, – afferma Daniel Phillips, fisico teorico nucleare all’Ohio University-Atene- poiché i modelli fisici della struttura nucleare sono sintonizzati su nuclei più comuni con un numero approssimativamente uguale di protoni e neutroni. Abbiamo bisogno di sapere quanto queste teorie errano, estrapolandole ai nuclei con rapporti più sbilanciati di protoni e neutroni”.
Il nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni tenuti insieme dalla forza nucleare forte. Il numero di protoni determina l’identità di un atomo come elemento chimico; il numero di neutroni determina l’isotopo di quell’elemento. Spesso è raffigurato un nucleo con tanti protoni e neutroni attaccati insieme come gumdrops, ma i nuclei reali sono molto più complicati. Sebbene sia costituito da particelle discrete, il nucleo medio agisce più come una gocciolina di fluido con una tensione superficiale. Allo stesso tempo, tuttavia, i nuclei hanno gusci di energia quantica astratti e possono essere più strettamente legati quando hanno un numero magico di protoni o neutroni che riempiono quei gusci – proprio come, su una scala più grande, gli atomi sono più inerti quando hanno riempito i gusci di elettroni. Inoltre, i teorici usano modelli diversi per spiegare questi comportamenti in competizione. Per nuclei relativamente leggeri, i modelli ab initio affrontano le interazioni di singoli protoni e neutroni. Tali modelli s’impantanano per nuclei più pesanti, quindi i teorici impiegano modelli più approssimati basati su “funzionali di densità” che trattano la distribuzione di protoni e neutroni come variabili continue. Le dozzine di tali modelli possono non essere d’accordo su cose semplici, come quanti neutroni si attaccheranno a un nucleo, un limite che i fisici spesso visualizzano su un grafico a griglia. Sul grafico, che mostra il numero di protoni sull’asse verticale e il numero di neutroni sull’asse orizzontale
Il team di 30 membri del laboratorio giapponese RIKEN di Wako e della Michigan State University (MSU) di East Lansing ha prodotto una serie di nuovi nuclei ricchi di neutroni che suggeriscono che la linea di gocciolamento, più lontana di quanto previsto da molte teorie. Il team ha “cacciato” nelle vicinanze di calcio, – dice Alexandra Gade, esperta di MSU- perché il suo numero magico di protoni già lo infonde con un legame più forte.
Usando la radioattività isotopica di RIKEN, hanno strappato i nuclei di zinco pesante sparando un raggio attraverso un bersaglio di berillio. Hanno quindi utilizzato un separatore magnetico molto preciso per selezionare la vasta gamma di nuclei presenti nel relitto. Il team ha prodotto otto nuovi nuclei ricchi di neutroni, tra cui, rispettivamente calcio-59 e calcio-60, con 39 e 40 neutroni. Per produrre due nuclei di calcio-60, i ricercatori hanno dovuto sparare 200 quadrilioni di nuclei di zinco nel bersaglio.
I nuovi risultati sembrano triplicare i modelli, ab initio, che generalmente predicono che il calcio-60 non dovrebbe esistere. In effetti, i dati suggeriscono, – dice Gade– che potrebbe essere possibile creare nuclei di calcio con ancora più neutroni. Dei 35 modelli confrontati dai ricercatori, i due che meglio si adattano a tutti i nuovi dati, predicono che l’isotopo di calcio esiste fino al calcio-70, che avrebbe un numero enorme di neutroni.
Gade mette in guardia contro qualsiasi generale generalizzazione sulla linea di gocciolamento. Tuttavia, – dice Phillips -, si spera che i risultati vincolino meglio la linea di gocciolamento in modo che gli sperimentatori non debbano semplicemente sentirlo. “Certamente spero, dice inoltre, che non si tratti di andare avanti per elemento”. Oltre alla sua fondamentale importanza, la posizione della linea di gocciolamento potrebbe avere implicazioni per l’astrofisica delle stelle di neutroni. Per esempio, si pensa che i processi nelle croste di questi resti stellari producano nuclei ricchi di neutroni direttamente nella linea di gocciolamento, dice Gade, quindi le proprietà precise e la struttura delle stelle incredibilmente dense, potrebbero dipendere dai dettagli della linea di gocciolamento.
Gli sperimentatori sperano di trovare anche isotopi più pesanti di calcio e di fare in modo che anche i nuclei studino le proprietà. Tali studi potrebbero diventare più facili nel 2022 quando MSU completerà il suo nuovo acceleratore da 730 milioni di dollari, l’impianto per i raggi isotopici rari (FRIB), che sarà ancora più potente della macchina di RIKEN. “Abbiamo esaminato i calcoli e [la FRIB], – dice Gade-, dovremmo essere in grado di vedere calcio-68 e calcio-70, se esistono”.
Esperimenti internazionali sui neutrini
LBNF / DUNE: uno degli esperimenti internazionali su neutrini di punta
L’esperimento di neutrini a lunga base internazionale / Neutrino sotterraneo profondo, ospitato dal Fermilab del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, è un progetto scientifico di punta per svelare i misteri dei neutrini. I neutrini sono le particelle di materia più abbondanti nell’universo e sono tutt’intorno a noi, ma ne sappiamo molto poco. Studiando i neutrini, gli scienziati di LBNF / DUNE dipingeranno un’immagine più chiara dell’universo e come funziona. La loro ricerca potrebbe persino darci la chiave per capire perché viviamo in un universo dominato dalla materia – in altre parole, perché siamo qui per niente. L’esperimento utilizzerà i potenti acceleratori di particelle del Fermilab per inviare il raggio più intenso del mondo di neutrini ad alta energia ai rivelatori di neutrini massivi di DUNE, che esploreranno le loro interazioni con la materia. Il pioniere di questo progetto di megascience internazionale si è svolto nel 2017, con la partecipazione di partner negli Stati Uniti e in tutto il mondo.
Per costruire e gestire LBNF / DUNE, il Fermilab riunisce oltre 1.000 scienziati di oltre 175 istituzioni in oltre 30 paesi. Il progetto si basa su competenze scientifiche e tecniche di università, laboratori e aziende in tutto il mondo. Quest’ambizioso progetto richiede rivelatori di particelle giganti, un intenso fascio di neutrini e un’infrastruttura internazionale per riunire tutto. Il progetto LBNF / DUNE guiderà i progressi della scienza e dell’industria in tutto il mondo. Il modello di costruzione distribuito del progetto, in cui i componenti sono costruiti negli Stati Uniti e in tutto il mondo, assicura che a ciascuno degli istituti e dei paesi partner vengano forniti vantaggi economici immediati in quanto i componenti vengono ricercati, costruiti e testati presso università, laboratori e aziende in tutto il mondo. Le scoperte da questo sforzo rivoluzionario potrebbero cambiare la nostra comprensione dell’universo.
The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)
DUNE è costituito da due enormi rivelatori di particelle all’avanguardia: uno più piccolo al Fermilab in Illinois e uno molto più grande da costruire un miglio sotto la superficie del Sanford Underground Research Facility nel South Dakota. Il rilevatore del Dakota del Sud sarà il più grande del suo genere mai costruito e userà 70.000 tonnellate di argon liquido e tecnologia avanzata per registrare interazioni di neutrini con una precisione senza precedenti. I prototipi più piccoli del rilevatore di distanza DUNE sono in costruzione presso il laboratorio europeo CERN, e i rilevatori completi ei loro sistemi di calcolo sono progettati e costruiti da una collaborazione di scienziati provenienti da oltre 30 paesi.
La struttura del neutrino a base lunga (LBNF)
LBNF ospiterà il rivelatore lontano DUNE a un miglio di distanza a Sanford Lab, così come il rilevatore vicino più piccolo al Fermilab. I rivelatori DUNE necessitano di strutture sotterranee dotate di una complessa tecnologia criogenica per mantenerle alla temperatura operativa di meno 300 gradi Fahrenheit. Nei prossimi anni, 875.000 tonnellate di roccia saranno scavate nelle caverne sotterranee di Sanford Lab e verrà costruita una nuova struttura scientifica. Al Fermilab, verrà costruita una nuova linea di luce per inviare al Sud Dakota del Sud un intenso fascio di neutrini da laboratorio ad alta energia di 1.300 chilometri (attraverso la pietra e la terra, senza tunnel).
Il progetto Proton Improvement Plan II (PIP-II)
L’esperimento DUNE richiede il fascio di neutrini ad alta energia più ricco di particelle al mondo – e questo è esattamente ciò che PIP-II fornirà. Il complesso acceleratore di particelle del Fermilab produce già il fascio di neutrini ad alta energia più intenso al mondo, ma un nuovo acceleratore lineare superconduttore, costruito con partner in tutto il mondo, renderà questo raggio ancora più potente. Il nuovo acceleratore lineare PIP-II sarà costruito con l’ultima tecnologia superconduttiva a radiofrequenza sviluppata presso il Fermilab e, insieme ad altri miglioramenti del complesso dell’acceleratore, fornirà il miglior fascio di neutrini possibile per DUNE. PIP-II è il primo acceleratore da costruire negli Stati Uniti che avrà importanti contributi da partner internazionali.
Nuovi progressi sulle metastasi del tumore al seno più aggressivo
I ricercatori USC hanno individuato un rimedio per contrastare una proteina che aiuta la diffusione metastatica del cancro al seno, tra le principali cause di morte per le donne.
I ricercatori di cellule staminali USC presso la Keck School of Medicine di USC offrono una nuova soluzione per sopprimere il cancro della metastasi nei polmoni.
È positivo per i pazienti con carcinoma mammario triplo negativo (TNBC) – il tipo più letale – e comprende il 20% dei casi di cancro al seno, particolarmente difficile da trattare.
Si è sviluppato perciò un intenso interesse a trovare nuovi trattamenti per TNBC.
“Per questo sottotipo di tumore al seno, disponibili poche scelte di trattamento per le metastasi target e, tipicamente, questi trattamenti sono di alta tossicità, – ha detto Min Yu, assistente professore di biologia delle cellule staminali e medicina rigenerativa, investigatore all’Eli e Edythe Broad Center (medicina rigenerativa) e (ricerca sulle staminali) all’USC e l’USC Norris Comprehensive Cancer Center– per cui una migliore comprensione delle cellule tumorali e delle loro interazioni con organi e tessuti aiuterebbe.”
Ricercatori USC confezionarono un farmaco per combattere il cancro al seno, con minuscole particelle di lipidi (i mattoni del grasso). Iniettate nei topi di laboratorio, le particelle rilasciarono il farmaco nel tessuto tumorale, riducendo i tumori metastatici nei polmoni.
Nel laboratorio di Yu, Oihana Iriondo e colleghi inibendo una proteina chiamata TAK1, riducevano le metastasi polmonari nei topi con TNBC .(Il TAK1 permette alle cellule maligne del seno di sopravvivere nei polmoni e formare nuovi tumori metastatici).
Le metastasi sono la causa più comune di morte correlata al cancro. Un potenziale farmaco, chiamato 5Z-7- Oxozeaenol o OXO, può inibire il TAK1 e presumibilmente rende molto più difficile per le cellule di cancro al seno di formare metastasi polmonari.Tuttavia, OXO non è stabile nel sangue e pertanto non funzionerebbe nei pazienti.
Per superare l’ostacolo, Yu e suoi collaboratori hanno sviluppato una sinergia con il laboratorio di Pin Wang presso l’USC Viterbi School of Engineering. La squadra di Wang ha sviluppato una nanoparticella – composta da una minuscola sacca di grasso – che funziona come una bomba intelligente per trasportare la droga attraverso il flusso sanguigno e consegnarla direttamente ai tumori.
Questa nanoparticella è caricata con OXO per trattare topi che erano stati iniettati con cellule di cancro al seno umano. OXO non ha ridotto i tumori primari nel seno, ma ha ridotto notevolmente i tumori metastatici nei polmoni con effetti collaterali tossici minimi.
“Sui pazienti con carcinoma mammario triplo negativo, – ha detto Yu – le chemioterapie sistemiche in gran parte sono inefficaci e molto tossiche. Le nanoparticelle sono un approccio promettente per fornire trattamenti più mirati, con l’OXO, per fermare il processo mortale delle metastasi”.
Il carcinoma mammario metastatico è classificato come carcinoma mammario allo stadio 4, una volta diffuso in altre parti del corpo, di solito polmoni, fegato o cervello. (Raggiunge questi organi penetrando nel sistema circolatorio o linfatico e migrando attraverso i vasi sanguigni, secondo la National Breast Cancer Foundation).
Il cancro al seno, tumore più comune nelle donne americane, ad eccezione dei tumori della pelle, possiede un rischio medio di sviluppo di 1 su 8 per una donna statunitense, secondo l’American Cancer Society.
Circa 266.120 nuovi casi di carcinoma mammario invasivo diagnosticati ogni anno nelle donne: circa 40.920 donne moriranno, secondo le stime dell’ACS.
La ricerca USC è in sviluppo, utilizzando test sugli animali. Il metodo scoperto sembra promettere, ma saranno necessarie altre ricerche per essere applicato agli esseri umani come trattamento.
I nuovi orizzonti della batteria-litio-zolfo
Nel 2014, il drone Zephyr 7 di Airbus
basato sulle batterie al litio-zolfo si è prodotto in un volo non-stop di 11 giorni. La nuova generazione di batterie al litio potrebbe potenziare i droni aerei ed anche, i robot subacquei
I motori di Oxis Energy, startup di Abingdon, nel Regno Unito, stanno costruendo batterie con una batteria di litio e zolfo che immagazzinano quasi il doppio dell’energia per chilogrammo delle attuali batterie agli ioni di litio delle auto elettriche. Le batterie non durano molto a lungo, e vanno eliminate dopo circa 100 cicli di ricarica. La piccola fabbrica pilota di Oxis punta a una produzione annua da 10.000 a 20.000 batterie, ma ancora non arriva a questa produttività. David Ainsworth, Chief Technology Officer, afferma che la società punta su un premio molto più grande: il mercato dei veicoli elettrici da $ 100 miliardi. “I prossimi anni, – afferma Ainsworth – saranno critici, perché insieme ad altri vediamo il litio-zolfo
Batterie litio-zolfo, erede apparente agli ioni di litio e quindi come tecnologia dominante della batteria”. Sono incoraggiati da una serie di recenti rapporti e scoperte che lasciano intravvedere come molte delle sfide della tecnologia e della durata possono essere superate. “Si vedono progressi, – dice Brett Helms, chimico del Lawrence Berkeley National Laboratory -California- su una serie di fronti “. “È davvero un compito arduo creare batterie al litio-zolfo, -ha affermato Linda Nazar, (Università di Waterloo – Canada) chimico e pioniere al litio-zolfo ad alta capacità. Sono economiche, leggere, piccole e sicure, ma rimane cauta. Migliorando un fattore, – poi aggiunge-, spesso viene a scapito degli altri. Non è possibile, adesso, ottimizzare tutti contemporaneamente.” Le batterie agli ioni di litio contengono due elettrodi, un anodo e un catodo separati da un elettrolita liquido che consente agli ioni di litio di muoversi avanti e indietro durante i cicli di carica. All’anodo, gli atomi di litio sono incuneati tra strati di grafite, un tipo di carbonio altamente conduttivo. Mentre la batteria si scarica, gli atomi di litio rilasciano elettroni e generano una corrente. Gli ioni di litio caricati positivamente si muovono nell’elettrolito. Dopo aver alimentato qualsiasi cosa, da un cellulare a un’automobile elettrico, tipo Tesla
, gli elettroni si riavvolgono al catodo, che è in genere costituito da un mix di diversi ossidi metallici. Qui, gli ioni di litio positivi nell’elettrolito si accovacciano accanto agli atomi di metallo che hanno assorbito gli elettroni in movimento. Il caricamento inverte questo rimescolamento molecolare mentre una tensione esterna spinge gli ioni di litioa liberare i loro ospiti metallici e ritornare all’anodo. I catodi di ossido di metallo sono affidabili. Ma i metalli, in genere una combinazione di cobalto, nichel e manganese, sono costosi. E servono due atomi di metallo che lavorano insieme per contenere un singolo elettrone, questi catodi sono pesanti, limitando la capacità di queste cellule a circa 200 wattora per chilogrammo (Wh / kg). Lo zolfo è molto più economico e ogni atomo di zolfo può contenere due elettroni. Teoricamente, una batteria con un catodo di zolfo può immagazzinare 500 Wh / kg o più.
La tecnologia delle batterie agli ioni di litio (LIBs) è una delle più importanti fonti di alimentazione mobile per laptop, fotocamere e smartphone. L’attuale densità energetica delle LIB si avvicina al limite teorico, e sottolinea l’urgente necessità di nuovi sistemi di batterie ad alta densità energetica.Le batterie al litio-zolfo sono più piccole e più leggere delle batterie agli ioni di litio. Ma lo zolfo non è un materiale ideale per un elettrodo. È isolante: non passerà gli elettroni agli ioni di litio che attraversano l’anodo. Questo fino al 2009, quando i ricercatori di Nazar hanno dimostrato che lo zolfo poteva essere incorporato all’interno di un catodoche, come l’anodo, era fatto di carbonio conduttivo. Ha funzionato, ma ha portato altri problemi. Forme di carbonio come la grafite sono altamente porose. Ciò aumenta le dimensioni complessive della batteria senza aumentare la capacità di memorizzazionee significa che sono necessari più costosi elettroliti liquidi per riempire i pori. Ancora peggio, quando gli ioni di litio si legano agli atomi di zolfo del catodo, reagiscono formando molecole solubili chiamate polisolfuri che galleggiano via, via degradando il catodo e limitando il numero di cicli di carica. I polisolfuri possono anche migrare verso l’anodo, dove possono devastare ulteriormente. Progressi stanno arrivando su tutti i fronti. Tre gruppi hanno fatto passi da gigante nel risolvere i problemi al catodo. I ricercatori guidati da Helms aggiungendo uno strato di polimero a un catodo di carbonio-zolfo, sigillano i polisolfuri e consentono alla batteria di sopravvivere a 100 cicli di carica. Un altro gruppo, guidato da Arumugam Manthiram (Università del Texas-Austin), sostituisce la grafite in un catodo con grafene. Il grafene è altamente conduttivo in fogli di uno spessore di un solo atomo. I catodi di grafene hanno una quantità di zolfo cinque volte superiore a quella di grafite tradizionale, aumentando così lo stoccaggio di energia.
Tra i sistemi di accumulo ad alta densità di energia, le batterie al litio-zolfo, con una densità energetica di 2600 Wh kg-1 (circa 3 ~ 5 volte quella delle tradizionali LIBs), hanno il potenziale per servire come prossima generazione di batterie ad alta energia. Lo zolfo possiede una conduttività elettrica molto bassa di 5×10-30 S cm-1 a temperatura ambiente. Pertanto, 30-70 wt. materiali conduttivi per cento, ad es. nanotubi di carbonio, grafene, carbonio poroso e polimeri conduttivi, devono essere aggiunti nell’elettrodo per l’alto utilizzo di zolfo con la tecnologia di elaborazione corrente. L’aggiunta di materiali di nanocarburi con bassa densità di impilamento neutralizza l’alta densità di energia, in particolare la densità volumetrica delle batterie al litio-zolfo.
I ricercatori del prof. Qiang Zhang (Tsinghua University -Pechino) hanno sviluppato una nuova strategia per aumentare la quantità di zolfo caricata fino al 90% in peso di materiali catodici basati su un impalcatura CNT / S
allineato, a vantaggio della densità di energia volumetrica ultraelevata di batterie allitio-zolfo. Una capacità volumetrica di 1116 m Ah · cm-3 e una densità di energia volumetrica di 434 Wh · L-1, due parametri che sono stati ottenuti in base al volume della cella totale, inclusi catodo, collettore di corrente, membrana, anodo, ben oltre il litio sottile- batteria del film. “La progettazione di materiali a base di catodi di zolfo, -ha affermato Qiang– per batterie al litio con zolfo con elevata densità di energia volumetrica è fondamentale per le applicazioni pratiche. Hanno selezionato impalcatureCNT allineati come impalcature ultra-leggere perché dimostrano un’architettura porosa gerarchica, una conduttività elettrica estremamente elevata, bassa densità e basso costo.”
In effetti, tali tipi di CNT allineati con una lunghezza di 20-200 μm sono stati prodotti in serie in un reattore a letto fluido a un costo inferiore a $ 100 per kg-1. “Questi CNT allineati possono essere facilmente dispersi in un polimero con una soglia di percolazione estremamente bassa conduttiva dello 0,0025% in peso, ma possono anche servire da impalcatura conduttrice ad alta efficienza per materiali di zolfo“. Il prof. Fei Wei aggiunge: “Abbiamo trovato un metodo scalabile, a temperatura ambiente, ad un passo per la fabbricazione di un catodo CNT / zolfo allineato. Il materiale composito del catodo possiede un contenuto di zolfo ultraelevato del 90% in peso e un’alta densità di 1,98 g cm-3, che è da 2 a 4 volte quello del catodo composito solfo / carbonio di routine, pertanto la densità volumetrica di energia di questa ricerca è ben oltre il risultato riportato. “Il prof. Zhang, sottolinea che questo approccio incentiva la costruzione di batterie al litio-zolfo con un’elevata densità di energia volumetrica utilizzando un catodo composito ad alta densità con una quantità elevata di caricamento di zolfo. Il futuro sviluppo delle batterie al litio di zolfo potrebbe concentrarsi sulla strategia di alleviare l’effetto navetta e sopprimere i dendriti di litio e un ulteriore miglioramento della densità di energia gravimetrica e volumetrica dei sistemi elettrochimici al litio-zolfo.
L’Osiris Rex ha già ricercato gli asteroidi troiani della Terra
Un veicolo spaziale della NASA ha iniziato la sua ricerca per una classe enigmatica di oggetti vicini alla Terra noti come asteroidi troian. OSIRIS–Rex, questo è il nome di questa particolare sonda spaziale,ora in un viaggio di andata di due anni verso l’asteroide Bennu, spenderà quasi due settimane alla ricerca di prove concrete su questi piccoli corpi.
La sonda OSIRIS–Rex
ha già ricercato nel territorio degli asteroidi troian. La ricerca è avviata, appena la navicella transita nella regione lagrangiana [L4] della Terra.
Gli asteroidi troian, sono intrappolati in pozzi gravitazionali stabili, chiamati punti di Lagrange, che precedono o seguono un pianeta. OSIRIS-Rex ora è in viaggio verso il quarto punto di Lagrange della Terra, che si trova a 60° davanti in orbita della Terra intorno al Sole, circa a 150 milioni di chilometri dal nostro pianeta. Il team della missione avrà l’occasione di prendere più immagini della zona con fotocamera MapCam della sonda, nella speranza di individuare nella regione asteroidi Terra-Trojan .
Anche se gli scienziati hanno scoperto migliaia di asteroidi troian che accompagnano altri pianeti, solo un asteroide trojan è stato identificato fino ad oggi, l’asteroide 2010 tk7
. Gli scienziati prevedono che ci dovrebbero essere più Trojan che condividono l’orbita della Terra, ma sono difficili da individuare dalla Terra, appena appaiono nei pressi del Sole sull’orizzonte della Terra.
“Poiché il quarto punto di Lagrange terrestre è relativamente stabile,-ha detto Dante Lauretta– è possibile che resti del materiale che ha costruito Terra intrappolato all’interno.Quindi questa ricerca offre l’opportunità unica di esplorare i mattoni primordiali della Terra.”
La ricerca è già iniziata e proseguirà. Ogni giorno di osservazione, la fotocamera MapCam della sonda, proporrà 135 immagini d’indagine che saranno elaborate ed esaminati dagli scienziati d’imaging della missione presso l’Università di Arizona-Tucson. Il piano di studi prevede anche l’opportunità per MapCam di ricavare un’immagine di Giove, diverse galassie, e gli asteroidi della fascia principale 55 Pandora, 47 Aglaja e 12 Victoria.
• Se la squadra scopre eventuali nuovi asteroidi, la ricerca sarà un esercizio utile. Le operazioni necessarie per la ricerca di asteroidi trojan sono molto simili a quelli richiesti per la ricerca dei satelliti naturali e altri potenziali pericoli intorno a Bennu quando la sonda si avvicinerà al suo obiettivo, nel 2018. Essere in grado di praticare queste operazioni mission-critical in anticipo aiuterà la squadra di Osiride-Rex a ridurre i rischi della missione, una volta che il veicolo spaziale arriva a Bennu.
• Punto di Lagrange L4
• 2010 TK7
• 2010 TK7 è il primo asteroide troiano della Terra conosciuto.
• L’oggetto è stato scoperto nell’ottobre del 2010 attraverso il Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE)
, un telescopio orbitante della NASA per l’osservazione nell’infrarosso, in prossimità del punto di Lagrange L4, che precede la Terra nella sua orbita attorno al Sole. Un telescopio spaziale è un satellite oppure una sonda spaziale lanciata con l’espresso scopo di osservare pianeti, stelle, galassie e altri oggetti celesti, esattamente come un telescopio basato a terra. Sono stati lanciati numerosi telescopi spaziali, che hanno contribuito enormemente alla nostra conoscenza del cosmo. Successive osservazioni nel visibile hanno permesso di stabilire che l’asteroide segue una traiettoria complessa (indicata come librazione) attorno a tale punto di equilibrio, confermandone la natura di asteroide troiano della Terra.
• Per 2010 TK7 è stato stimato un diametro di circa 300 m.
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• Punto di Lagrange L5
• Allo stato attuale, nessun oggetto è stato confermato, né sono stati individuati potenziali oggetti orbitanti in corrispondenza di L5.
Nel 2017 la sonda OSIRIS–REx ha sorvolato il punto di Lagrange L5 e ha effettuato delle osservazioni per cercare eventuali asteroidi troiani. I dati del sorvolo devo essere ancora esaminati.
Un oggetto particolare legato alla Terra è l’asteroide 3753 Cruithne
, un oggetto di 5 km posto in una particolare orbita detta a ferro di cavallo; si tratterebbe con probabilità di un legame temporaneo. Diversi altri oggetti scoperti presentano orbite simili, tuttavia benché siano in risonanza 1:1 con l’orbita terrestre, non sono considerabili troiani in quanto non librano attorno ai punti di Lagrange L4 ed L5.
Il Goddard Space Flight Center della NASA gestisce globalmente la missione, ingegneria dei sistemi e la garanzia della sicurezza e della missione per OSIRIS-Rex. Dante Lauretta (University of Arizona,_Tucson), è il principale ricercatore, e l’Università dell’Arizona porta anche il team scientifico e la pianificazione di osservazione della missione e la trasformazione. Lockheed Martin Space Systems di Denver ha costruito il veicolo spaziale e sta fornendo il controllo e le operazioni di volo. Goddard e KinetX Aerospace sono responsabili per la navigazione del veicolo spaziale OSIRIS-Rex. OSIRIS-Rex è la terza missione programmata da New Frontiers della NASA. Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, Alabama, gestisce il programma New Frontiers dell’agenzia per la Science Mission Directorate a Washington.
OSIRIS–Rex è stato lanciato nel 2016 da Cape Canaveral, per un viaggio di andata e ritorno da Bennu. Durante la missione che si sviluppa nell’arco temporale di 7 anni, la nave spaziale andrà su Bennu, mappando in dettaglio l’asteroide e restituendo un campione di materiale di superficie sulla Terra. Appena OSIRIS–Rex farà uno stretto passaggio della Terra il 22 settembre 2017, e potrà “prendere in prestito” una piccola quantità di energia orbitale del pianeta per aumentare l’inclinazione del veicolo spaziale e fiondarsi nello spazio per un incontro ravvicinato con Bennu. Nel mese di marzo, OSIRIS–Rex ha anche raggiunto la sua distanza più lontana dal nostro pianeta prima di arrivare nel luogo dello spazio detto “Terra Gravity Assist”. Il veicolo spaziale viene tenuto sotto controllo mentre si dirige verso la Terra per il suo sorvolo.
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