jueves, 1 de diciembre de 2016

Capítulo 2: ¿Qué es la materia?


¿Qué es la materia?


 Todo lo que podemos ver y tocar, está hecho de materia. ¿Pero qué es la materia? ¿De qué está hecha? ¿Por qué podemos verla? ¿Por qué pesa? ¿Por qué si le doy una patada a una pared me haré daño en el pie? Lo mejor y del modo más sencillo y ameno que me sea posible, voy a intentar responder a estas preguntas. Agárrese los machos el lector porque esto no va a ser fácil (este es el momento de huir, si se queda sea bienvenido a la espiral de locura que se abre ante usted).


 Cuando hablamos de materia en la vida cotidiana, en realidad nos referimos a aquello que los científicos denominan "materia bariónica", y que conforma aproximadamente el 5% de la materia total de nuestra galaxia y el 15,5% en todo universo (el resto se conoce como "materia oscura", un enigma del cual hablaré en el siguiente capítulo).







 El nombre de bariónica se refiere al hecho de que casi toda su masa se debe a unas partículas conocidas como bariones, aunque también está formada por leptones y bosones. Como al lector se le habrá empezado a hacer un nudo en el cerebro con todos estos nombres extraños, más vale realizar un par de aclaraciones al respecto e ir ordenando poco a poco la información.


 Según los conocimientos alcanzados por la física moderna, usted mismo está formado por distintos tipos de partículas, cada una con sus propiedades únicas y que interactúan entre sí de diferentes maneras. Da la casualidad de que algunas de ellas se ensamblan para producir átomos, moléculas, células, tejidos... su mano por ejemplo. Para abordar este apasionante aunque complejo tema, contamos con la ayuda indispensable de la siguiente tabla:



Cada columna señalada con un nº romano es una generación.
Las II y III son muy inestables. Mejor téngala accesible. Fuente.


 Ya sé que parece temible, pero no se deje el lector intimidar por ella. Si se la deja a mano, de modo que pueda consultarla rápidamente, pronto se irá familiarizando con ella. Cada casilla representa a cada una de las partículas que componen la materia ordinaria. Como pueden ver, todas ellas están definidas por tres parámetros:

  •  Masa: Viene dada en electronvoltios (eV), así como megaelectronvoltios (MeV = 1.000.000 eV) y gigaelectronvoltios (GeV = 1.000 MeV). En física

    esta unidad se usa indistintamente para
    cuantificar la masa o la energía, al ser ambos conceptos dos caras de la misma moneda, ya que están relacionados por la famosa ecuación de Einstein: E = mc² (donde "E" es la energía, "m" la masa y "c" la velocidad de la luz). Según esta fórmula, dentro de un solo gramo de masa hay muchísima energía, siendo este el secreto de las armas nucleares, que transforman directamente una en otra al fisionar o fusionar átomos (ídem la energía nuclear). Volviendo a la tabla, pueden ver en ella que las diferencias de masa entre las distintas partículas son enormes, careciendo algunas directamente de ella. ¿Pero qué es la masa? En su momento iremos a ello, no se impaciente el lector.
  •  Carga: La carga eléctrica de las partículas. Puede ser positiva o negativa, lo cual nos resulta
    familiar, aunque también fraccionada, algo que ya se aleja más de nuestra experiencia cotidiana. Sea como sea, según dicta la interacción electromagnética, cargas opuestas se atraen y cargas de idéntico signo se repelen.
  •   Spin: Palabra inglesa que literalmente significa "girar". Define el momento angular de las partículas: el producto de la masa por la velocidad que suele ir asociado a la rotación de un objeto. Lo extraño es que las partículas no rotan, de hecho por definición no se hallan localizadas en ningún punto en concreto, sin embargo tienen spin, que, como ocurría con la carga, puede ser entero o fraccionado. Explicar los efectos e importancia del spin sería una tarea ardua y compleja, así que mejor pasemos de puntillas por delante y no ahondemos en ello.

 Ahora que sabemos que las partículas se definen por su masa, su carga y su spin, podemos  clasificarlas. Llamamos "fermiones" a todas aquellas con spin fraccionado (verde y morado en la tabla), y "bosones" al resto de  partículas que tienen spin entero (azul en la tabla). Veamos qué son y qué hace cada uno:


Fermiones: se dividen en "quarks" y "leptones", entre otras cosas componen los átomos que nos constituyen.

Bosones: son los intermediarios de las interacciones fundamentales que rigen el universo.



El coloreado mundo de los quarks



  Los quarks se clasifican por "sabores", a saber:

up (arriba)
down (abajo)
charm (encanto)
strange (extraño)
top (cima)
bottom (fondo)

 Imaginamos que los científicos darían nombre a cada quark entre cerveza y cerveza en un bar, de todos modos solo nos vamos a quedar con el up y el down, que son los únicos estables.

 Además de sabor, los quarks también tienen "color". Entienda el lector que en verdad estas partículas no saben a nada ni están coloreadas como si fueran canicas, simplemente ocurre que los físicos tienen que llamar de alguna manera a las extrañas propiedades que muestran ¿y por qué no hablar de colores y sabores? La carga de color de los quarks les obliga a ser muy sociables y a vivir permanentemente agrupados, pues nunca, nunca jamás puede presentarse un color por separado, siempre se tienen que sumar y neutralizar entre sí. A esto se le llama "confinamiento del color".


 Imagine el lector que hubiera quarks verdes, rojos y azules, como la composición de la luz en los televisores. Según esto, un quark rojo obligatoriamente deberá de buscar la compañía de un quark verde y azul, jamás podrá andar por ahí por su cuenta. Para un quark la soledad nunca es una opción.

 Lo crea o no, también pueden asociarse dos quarks entre sí, pues igual que existen colores además hay anticolores (esto se nos va de las manos, sí). Según esto, el quark rojo de antes podrá optar por arrejuntarse con un compañero anti-rojo, de modo que sus colores se anulen y puedan coexistir. El problema aquí es que juntar un color con un anticolor, o en otras palabras, un quark con un antiquark, no termina de ser muy buen negocio por motivos que más adelante veremos. 


 Existen muchas combinaciones posibles con todos los sabores y colores de quarks y antiquarks, que dan pie a un variopinto "zoo de partículas".

 Las uniones de quarks son genéricamente llamadas "hadrones", no obstante según contengan dos o tres reciben diferentes nombres. Los "mesones", además de lugares donde comer y beber hasta hartarse, son combinaciones de dos quarks (color + anticolor), mientras que los "bariones" lo son de tres (rojo + verde + azul).
 El hecho de que a la materia convencional se la denomine "bariónica" ya nos da una pista acerca de su composición, sobre todo dado el hecho de que, como veíamos antes, la composición a base de color y anticolor dentro de los mesones los hace muy inestables. En realidad, solo hay dos bariones estables, que son los que le componen a usted y a mí:


-    Neutrón: Formado por un quark up y dos quark down, motivo por el cual su carga eléctrica es neutra. Recordemos que el up tiene carga +2/3 y el down -1/3; siendo esto tal que (-1/3 x 2) + 2/3 = 0.
Neutrón. Carga 0. Fuente.



-  Protón: Se compone por dos quark up y un quark down, lo cual le dota de una carga de +1, ya que en este caso (+2/3 x 2) – 1/2 = +1.

Protón. Carga +1. Fuente.


 Protones y neutrones componen el núcleo de los átomos. En concreto, cada átomo viene definido por el número de protones que tiene, que es invariante y caracteriza aquello que denominamos "elemento químico". Por ejemplo el átomo de carbono, el elemento químico en el cual se basa la vida, tiene 6 protones, siendo ese su "número atómico". Por el contrario el número de neutrones puede variar dentro de un mismo elemento químico, dando lugar a distintos isótopos.


 Esquema de un átomo de carbono, los electrones se muestran en amarillo y en azul el núcleo con 6 protones y 6 neutrones. Los protones definen al átomo de carbono, mientras que los neutrones pueden cambiar su número dando lugar a distintos isótopos. El isótopo del carbono con 7 neutrones es estable, las demás combinaciones no. Fuente.



 Ahora bien, si los neutrones son neutros, los protones positivos, y todos ellos se hayan muy juntos en el núcleo de los átomos… ¿qué impide que las cargas positivas se rechacen entre sí y los núcleos revienten cual huevo en un microondas? Hay algo que los mantiene juntos a pesar de todo, pero para saber qué es el amable lector deberá de tener un poco más de paciencia.


 Por otro lado, si se pregunta que es lo que ocurre con los distintos bariones compuestos por los quarks encanto, extraño, cima y fondo, le diré que dichos quarks además de muy masivos, son extremadamente inestables, siendo su vida lo bastante breve como para no permitirles adquirir relevancia más allá de los laboratorios en los cuales se los ha conseguido generar. ¿Qué diablos pintan entonces en la naturaleza? Hoy por hoy, esto sigue siendo un misterio.




Los inquietos leptones



 Los leptones carecen de color, y gracias a ello pueden danzar libremente de un lado a otro sin necesidad de juntarse entre sí. Tenemos seis sabores:

            1) Electrón.      4) Neutrino electrónico.
            2) Muón.          5) Neutrino muónico.
            3) Tau.            6) Neutrino tautónico.

 A los fantasmagóricos neutrinos luego los visitaremos, y al Muón y al Tau los pueden olvidar según los han leído, pues les ocurre lo mismo que a los quarks pesados de antes: son de vida muy breve.

 El electrón sin embargo es estable y además muy importante en nuestras vidas. Si el lector quiere sentir su poder, pruebe a meter los dedos en el enchufe, aunque quizá ello le deje chamuscado y humeante como una tostada, así que lo dejo a su criterio. Es común que los electrones salten alegremente de un átomo a otro, lo cual constituye la electricidad que mueve nuestras máquinas e ilumina nuestras bombillas. Cuando no están entretenidos viajando por nuestros cables, orbitan alrededor de los núcleos atómicos. Esto es así debido al hecho de que los electrones tienen carga negativa (-1), sintiéndose atraídos por la carga positiva de los núcleos atómicos.

 Representación esquemática de un átomo (en realidad las órbitas de los electrones son muchísimo más grandes en relación con el masivo pero diminuto núcleo compuesto de protones y neutrones). Fuente.

  
 Por otro lado tenemos a los esquivos neutrinos, que como veíamos se clasifican en tres sabores: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tautónico. Si creen que todo lo que han visto hasta ahora es raro, eso es porque aún no conocen a nuestros buenos amigos los neutrinos. Para empezar, ahora mismo hay millones de ellos cruzando su cuerpo con la misma facilidad con la que una bala atraviesa una hoja de papel de fumar. No tienen carga ni color y su masa es casi nula, con lo cual su interacción con el resto de la materia es mínima. Los neutrinos, que suelen crearse fruto de violentas reacciones nucleares o al desintegrarse ciertas partículas más pesadas, gustan de viajar por el universo a velocidades cercanas a la de la luz, atravesando todo lo que se encuentran por el camino como si nada, incluidos nosotros. Primero se los descubrió sobre el papel, y como se podrá imaginar el lector detectarlos les costó muchas canas a los científicos, aunque finalmente lo lograron. No contentos con ser entidades casi fantasmales, los neutrinos oscilan, esto es, cambian de sabor según ciertos ciclos que solo ellos conocen. De este modo un neutrino electrónico puede salir disparado, transmutarse en muónico por el camino y llegar a su destino convertido en tautónico. Lo mejor de todo es que cada sabor tiene una masa distinta, pero eso a ellos les da igual. El mundo de los neutrinos es enigmático y desconcertante, así que mejor dejemos a estas espectrales partículas en paz.



Bosones intermediarios


  Los bosones se definen por tener spin 0 y son nada más y nada menos que las partículas intermediarias de al menos tres de las cuatro interacciones fundamentales que rigen el universo. Las interacciones que vamos a comentar generan campos que permean nuestro mundo y hacen que sea como es. 



·   Interacción electromagnética. Su intermediaria es el fotón (Y), partícula que también conforma la radiación electromagnética, cuyas diferentes frecuencias llamamos luz, radio, microondas, infrarrojos, rayos X, etc, y que utilizamos para ver, comunicarnos, calentar la comida, calentarnos nosotros o hacer radiografías, entre otras cosas. Por ejemplo, los objetos que nos rodean emiten o reflejan luz, que según su frecuencia reconocemos como verde, azul, etc. Nuestros ojos tan solo son sensibles a la luz, sin embargo existen muchísimas otras frecuencias a lo largo del espectro electromagnético. Mismamente si enciendes un radiador, te estarás calentando gracias a la invisible radiación infrarroja que emite.

 Los fotones, aunque son partículas, pueden oscilar como ondas y configuran la radiación electromagnética que podemos detectar con nuestros ojos (luz visible) o con otros instrumentos.
    
   Es una interacción muy difícil de explicar para alguien sin formación científica como yo, pero a efectos de lo que aquí nos interesa uno de sus efectos primordiales es conseguir que cargas del mismo signo se rechacen. ¿Ha probado alguna vez a intentar juntar los polos positivos de dos imanes? Como se comentaba antes, todos los átomos están rodeados por difusas nubes de electrones que orbitan a su alrededor, siendo su carga -1. Esto es lo que evita que los átomos se atraviesen entre sí, pues sus negativas nubes electrónicas se rechazan al aproximarse unas a las otras, y gracias a ello podemos tocar una mesa o sentarnos en una silla sin atravesarlas fantasmalmente como si fuésemos neutrinos (puede culpar a los electrones de todas esas veces que ha caminado descalzo por su casa y se ha golpeado un dedo con un mueble). 




·  Interacción nuclear fuerte. Su bosón intermediario es el gluón (del inglés "glue", pegamento) y es la responsable de la carga de color, que hace que los quarks deban de estar confinados siempre juntos.
   
    Un efecto derivado de esta interacción, consigue que el núcleo atómico se mantenga unido a pesar de la repulsión de las cargas positivas de los protones. Esto se logra gracias al continuo intercambio entre protones y neutrones de un tipo de mesón muy ligero conocido como "pión".

    Los piones (π) pueden tener carga positiva (π+), negativa (π) o neutra (π0), y están formados por un quark y un antiquark. Un quark "up" y otro "antidown" componen el π+, mientras que un quark "down" y otro "antiup" componen el π, su antipartícula. La combinación "up-antiup" y "down-antidown" constituyen el π0, el cual es su propia antipartícula. Pues bien, los neutrones (n0) y protones (p+) se transmutan continuamente unos en otros a base de intercambiar π+ y π. La relación en concreto es la siguiente.



    p+  + n0   (n0  +  π + ) + n0  n0  +  (π +  +  n0) → n0 + p+ 


    n0 + p+    (p+  +  π) + p+ p+  + (π +  p+ ) → p+  + n0



 La transmutación continua de protones en neutrones y viceversa gracias al intercambio de piones, mantiene unido el núcleo atómico y consigue evitar que todo lo que conocemos vuele por los aires. La siguiente imagen animada ilustra hasta que punto el núcleo de los átomos es una locura mayor de la que nunca hubiéramos podido imaginar:

Las bolas pequeñas que van en parejas son gluones. Fuente.

  • · Interacción nuclear débil: sus bosones portadores son los masivos W+, W y Z.  Esta interacción es la responsable de que todos los quarks y leptones decaigan en sabores menos pesados. Sí, ella es la culpable de que esos quarks y leptones pesados y de nombres exóticos duren tan poco y que por ello el lector no se haya molestado en recordarlos. Si se genera por ejemplo un quark charm, se convertirá en un quark up, y la masa perdida se transformará en energía cinética (velocidad). Básicamente la interacción nuclear débil hace eso, transformar masa en velocidad, y al hacerlo consigue modelar el mundo en el que vivimos, influyendo también en desintegraciones atómicas más complejas de las que no hay tiempo para hablar aquí. También parece estar implicada en la oscilación de los neutrinos. Solo los sabores menos pesados de quarks (up & down) y el electrón son inmunes a ella. Se la ha conseguido juntar con la interacción electromagnética, y juntas componen la interacción electrodébil, cuya explicación ahora mismo nos supera.

  • ·  Interacción gravitatoria: La más extraña de las cuatro interacciones fundamentales, y la única que todavía se resiste a ser satisfactoriamente explicada. Sabemos que nos mantiene pegados al suelo y nos impide salir volando por ahí. ¿Pero por qué? Albert Einstein la describió no como una fuerza o una interacción, sino como una curvatura del espacio-tiempo. Según ello, por ejemplo el Sol provocaría un inmenso "hoyo" en el espacio-tiempo y la Tierra se hallaría "rodando por el borde" sin llegar a caer dentro de él. La siguiente imagen, que es un clásico, lo explica a la perfección:
La gravedad deforma el espacio-tiempo. Fuente.



 Por muy increíble que parezca, la curvatura del espacio-tiempo provocada por la gravedad es un hecho que ha sido comprobado innumerables veces. Incluso genera lentes gravitatorias y provoca distorsiones e imágenes dobles cuando miramos a galaxias muy lejanas.

 Fotografía captada por el telescopio espacial Hubble en la que se aprecia la distorsión circular creada por la gravedad sobre la luz que nos llega de galaxias muy distantes. Fuente: La Nasa.

 El problema es hacer encajar todo esto con las otras tres interacciones. Con muchos esfuerzos, los científicos han desarrollado la denominada “teoría cuántica de campos”, que define a las interacciones electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil como campos que se manifiestan en forma de los distintos bosones que hemos estado visitando. A fin de conseguir una "teoría del todo", se ha intentado hacer lo mismo con la gravedad. Incluso se ha postulado un bosón transmisor de la interacción gravitatoria, el "gravitón", que tendría carga 0, masa 0 y espín 2. Desgraciadamente aún no se lo ha descubierto y en general este intento de entender la gravedad como un campo similar a los demás aún está en agua de borrajas.

 En otras palabras, sabemos cómo funciona la gravedad a grandes escalas, deformando el espacio-tiempo y logrando que grandes objetos como planetas y estrellas se atraigan entre sí. Sin embargo, al nivel de las pequeñas partículas que componen la materia, ignoramos por completo cómo se comporta.

 La siguiente tabla muestra un resumen de las cuatro interacciones fundamentales:


 Como se ve, la gravedad es la fuerza más débil de todas, sin embargo tiene un alcance ilimitado y ello le otorga la capacidad de irse acumulando, motivo por el cual solo se hace notar con objetos muy grandes, es decir, a escala astronómica. A nivel muy pequeño, su efecto es mínimo. Eso hasta que nos topamos con un agujero negro, en el cual los efectos de la gravedad se vuelven abrumadores y afectan incluso a las partículas subatómicas. En estos casos las ecuaciones se vuelven locas en las pizarras de los científicos, e igual ocurre cuando se intenta estudiar el Big Bang. Hasta que no entendamos cómo se relaciona la gravedad con las otras tres interacciones fundamentales, nuestro conocimiento acerca del universo en el que vivimos estará cojo.

 Dicho esto, cierto bosón nos depara una última sorpresa, pero no una cualquiera, hablamos del origen de la masa. Es decir, ¿por qué pesamos (algunos más de lo que nos gustaría)? 

 Cuando nacieron sobre el papel y pintarrajeados en grandes pizarras, se suponía que los bosones no debían de tener masa. Gluones y fotones cumplen con ello, pero los bosones W+, W y Z vinieron a sembrar la discordia siendo excepcionalmente pesados. Ello obligó a los científicos a partirse la cabeza a fin de descubrir qué o quién les otorgaba esa elevada masa que se supone que no deberían de tener. Así descubrieron al culpable de que algunas partículas tenga masa y otras no: el célebre, el archifamoso, el un millón de veces nombrado "bosón de Higgs", mal apodado "la partícula de Dios" (en realidad es la partícula de la masa, aunque eso suena demasiado a anuncio de pizza y supongo que no quedaba tan bien en los titulares de los periódicos). 
 
 En esencia, existe un campo que permea todo el universo, el campo de Higgs, transmitido por el bosón de Higgs, que al interactuar con ciertas partículas las dota de aquello que conocemos como "masa" (mediante el llamado "mecanismo de Higgs").

 Todo esto podía ser considerado fruto del viaje psicotrópico de un puñado de físicos, sobre todo de Peter Higgs que fue quién parió esta idea, hasta que el bosón que lleva su apellido, o al menos una partícula que respondía a su descripción, fue descubierto tras numerosos experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Como el lector podrá imaginar, la explicación acerca de cómo y porqué el bosón de Higgs actúa como actúa es muy compleja, y si intentara dársela, suponiendo que pudiera, muy probablemente nos estallaría la cabeza a ambos, así que mejor me abstengo de ello (véase nota al final). Solo sepa que su cara de preocupación al mirar el peso que le indica la báscula se debe a este escurridizo bosón.

 Las líneas amarillas indican que el  bosón de Higgs solo actúa sobre algunos leptones, al igual que el fotón con ellos (los neutrinos carecen de carga eléctrica por un lado y  por el otro aún no se sabe muy bien como se origina su exigua masa). Las líneas azules representan una interacción completa. Fuente.


 A fin de recopilar y aclarar tanto lío de nombres, aquí tiene el lector un esquema con todas las familias de partículas que hemos ido visitando:





Antimateria


 No puedo concluir este artículo sobre la materia sin mencionar a su némesis: la antimateria.

 Tal vez la recuerde el lector de la película "Ángeles y Demonios" basada en el best seller de Dan Brown. Por muy fantástica y misteriosa que pueda sonar, la antimateria no es más que materia normal con los colores y cargas eléctricas invertidas (siento robarle la ilusión al lector). Un ejemplo de antimateria es el positrón, que es un electrón con carga positiva, o el antiprotón, que es análogo al protón pero con carga positiva. Un antineutron seguiría teniendo carga neutra pero estaría compuesto por antiquarks, al igual que el antiprotón. En efecto, los antiquarks también tienen cambiada su carga además de tener anticolores.

 Resumiendo, colores y cargas eléctricas opuestas igual a antimateria.

 Materia frente a antimateria. De arriba a abajo: electrón vrs. positrón, protón vrs. antiprotón y neutrón vrs. antineutrón . Fuente.

 El hecho de que no sea frecuente encontrarnos con antimateria en la vida cotidiana se debe a que esta se aniquila automáticamente al entrar en contacto con la materia normal, transformándose toda su masa en radiación. Si por ejemplo un electrón tiene la mala fortuna de encontrarse de bruces con un positrón, ambos se desintegrarán en una explosión de rayos gamma (fotones de alta energía). De hecho así conseguiríamos distinguir a un antineutrón de un neutrón, ambos asépticamente neutros.

 La antimateria ha sido producida en laboratorio en condiciones de especial aislamiento, llegando a haberse generado antiátomos compuestos de antiprotones y antineutrones con positrones orbitando a su alrededor, sin embargo es muy difícil conseguir mantenerla apartada de la materia convencional y conseguir que no se aniquile contra ella.


 Ahora bien, ¿por qué vivimos en un universo dominado por la materia en lugar de por la antimateria? Esta es una de las preguntas fundamentales de la física moderna. Se especula que justo tras el Big Bang, por motivos desconocidos se generó un pequeño exceso de materia sobre la antimateria, algo que a lo largo de las sucesivas aniquilaciones que se produjeron inclinó la balanza a favor de la primera. De todos modos, si hubiera sido al revés, la antimateria sería para nosotros la materia normal y viceversa.




Materia oscura


 Es necesario poner ya punto y final a este capítulo, aunque debemos de recordar algo que escribí en su ya lejano principio: la materia normal (bariónica) solo constituye un 5% del total de materia presente en nuestra galaxia, y alrededor de un 15,5% de aquella presente en todo el universo. Al resto la conocemos como "materia oscura", y sabemos que está ahí únicamente por los efectos gravitatorios que la delatan, pero por nada más. Y aún más misteriosa es la "energía oscura" y sus sorprendentes efectos sobre el universo. Más estas oscuras cuestiones quedan pendientes para el siguiente capítulo. 


Nota: Para saber más sobre los campos de las interacciones fundamentales en general y sobre el bosón de Higgs en particular, pueden leer el capítulo 6 de mi otro blog, el Rincón de Ivo, al cual pueden acceder pinchando aquí.


BIBLIOGRAFÍA:


-  "El LHC y la frontera de la física", Alberto Casas, editado por Catara y por el CSIC.

-  "El Lado Oscuro del Universo", Alberto Casas, editado por Catara y por el CSIC.

-   "El Bosón de Higgs", Teresa Rodrigo Anoro; Alberto Casas González, editado por Catara y por el CSIC.



WEBGRAFÍA:

https://es.wikipedia.org/wiki/Part%C3%ADcula_elemental

https://es.wikipedia.org/wiki/Interacciones_fundamentales

https://es.wikipedia.org/wiki/Carga_de_color

https://es.wikipedia.org/wiki/Antimateria




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