ESPACIO, TIEMPO Y MATERIA - CIEMAT Física de Partículas
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ESPACIO, TIEMPO Y MATERIA: Introducción a la física de partículas y la cosmología Eusebio Sánchez División de astrofísica de partículas CIEMAT Semana de la ciencia 2009
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ESPACIO, TIEMPO Y MATERIA: Introducción a la física de partículas y la cosmología
Eusebio SánchezDivisión de astrofísica de partículasCIEMATSemana de la ciencia 2009
CONTENIDO
Introducción: Escalas y dimensiones
El viaje interior: La física de partículas
Viaje al espacio exterior: La cosmología
Lo desconocido: El universo oscuro
El futuro
Final
El objetivo final de la física de partículas es entender y explicar los constituyentes
elementales de la materia y sus interacciones
Es intentar responder a uno de los grandes interrogantes que siempre se ha hecho la
humanidad: ¿De qué están hechas las cosas?
Para entender qué es la materia tenemos que estudiar distancias y tiempos cada vez más
pequeños
La cosmología pretende explicar el origen, la evolución y el destino final del
universo completo
Intenta responder a la pregunta: ¿De dónde venimos y a dónde vamos?
Para avanzar en la comprensión de la cosmología tenemos que estidiar
distancias y tiempos cada vez más grandes
TAMAÑOS RELATIVOS
Las escalas de distancias de las que hablaremos están en
los extremos conocidos y explorados por los seres
humanos
.
Para entender un poco más las distancias enormemente grandes y enormemente pequeñas de las que hablaremos:MODELO A ESCALA 1:
El sistema solar a escala 1/1 billón cabe en el salón, con el Sol siendo una bombilla de 100 w
ESTRELLA MÁS CERCANA: Otra bombilla a unos 40 km
GALAXIA: 100 mil millones de bombillas extendidas en un disco con diámetro igual al de la órbita de la Luna, y con un grosor igual al diámetro de la Tierra (100 mil millones de granos de arroz llenan un almacén del tamaño de un catedral).
LÍMITE DEL UNIVERSO VISIBLE: 1/30 de la distancia a la estrella más cercana
MODELO A ESCALA 2:
SOL: Una naranja en Madrid
ESTRELLA MÁS CERCANA: Otra naranja en París
GALAXIA: Cabría entre la Tierra y el Sol
MODELO A ESCALA 3:
El Sol y la estrella más cercana están a 2mm. Entonces, la galaxia sería del
tamaño de un campo de fútbol.
MÁS MODELOS
Si aumentamos un balón de fútbol hasta hacerlo del tamaño de la Tierra, un átomo tendría unos 15 mm de diámetro.
Si el átomo fuera como un estadio de fútbol, el núcleo sería como una pelota de ping-pong en el centro del campo
Las escalas no solo son enormes en el espacio, también en el tiempo. Si comprimimos la historia del cosmos en un año:
Espacio y tiempo están relacionados.
Mirar más lejos significa también mirar antes en el tiempo: La luz viaja a velocidad finita. Vemos lso objetos tal y como eran cuando la luz salió de ellos.
Mirar a distancias más cortas significa también usar energías mayores:Sabemos que el átomo es una nube de electrones alrededor del núcleo. Si queremos ver el núcleo necesitamos MeV. Si queremos romper el núcleo para ver qué tiene dentro, necesitamos GeV. Para continuar el viaje al espacio interior, si queremos ver dentro de los constituyentes del núcleo (p y n) necesitamos decenas o centenares de GeV. El más poderoso microscopio ahora mismo es el tevatrón, un acelerador de partículas.
Viaje al espacio interior: La física de partículas
Actualmente se piensa que las partículas elementales que forman la materia son los
quarks y los leptones.
El Modelo EstándarLa teoría física que explica la
composición de la materia se llama Modelo Estándar.
Toda la materia está compuesta por 12 partículas elementales (y sus
antipartículas)
Es una teoría cuántica de campos
Explica todos los experimentos que se han realizado hasta hoy.
Describe las fuerzas por el intercambio de partículas
mensajeras.
Toda la materia que vemos a nuestro alrededor está compuesta por las
partículas de la primera generación
El Modelo Estándar: 4 fuerzas fundamentales
¿Cómo se miden las partículas?
Con enormes ACELERADORES y DETECTORES
El acelerador más grande que está actualmente en funcionamiento es el Tevatrón, en Fermilab, cerca de Chicago. Tiene 2 detectores CDF y D0.
El próximo gran acelerador, que será el más grande y poderoso de la historia, es el LHC en el CERN, cerca de Ginebra. Tendrá 2 detectores: CMS y ATLAS. (Y otros 2 especializados en ciertas medidas específicas, LHCb y ALICE)
El acelerador Tevatrón, en Fermilab, Chicago
El acelerador LHC, en el CERN, Ginebra
El túnel del LHC
¿CÓMo SE MiDEN LAS PARTÍCULAS?Los aceleradores de partículas son las máquinas más grandes construídas por los seres humanos
Los detectores han sido llamados alguna vez “las catedrales escondidas” por ser de un tamaño enorme y estar situados bajo tierra
LHC es el mayor acelerador de la historia con 26.7 km de circunferencia: 14% mayor que la línea 6 del metro de Madrid. En el mismo túnel funcionó de 1989 a 2000 el acelerador LEP
El Tevatrón, actualmente en funcionamiento, tiene una circunferencia de 6.28 km
¿CÓMo SE MiDEN LAS PARTÍCULAS?: LHC
Para construirlo se excavaron 1.4 millones de metros cúbicos de suelo, durente los 6 años
que duró la construcción
La longitud del túnel 26.7 km se conoce con una precisión
mejor que 1 cm
Está a una profundidad que varía entre 50 y 175 m
La velocidad de los protones que circulen en el tubo del
LHC será c-10 km/h
En una carrera a la Luna, la luz ganaría a un protón del LHC
por 3 m... Después de recorrer 384500 km!!!
La energía total contenida en el haz del LHC será de 362 MJ. Suficiente como para fundir 500 kg de cobre.
Si se pierde un haz, puede atravesar 30 m de cobre
sólido
¿CÓMo SE MiDEN LAS PARTÍCULAS?: LHCEl volumen de información que
producirá el LHC es equivalente a un CD por segundo!!
Esto significa una torre de unos 20 millones de CDs al año, que tendría una altura de 20 km
Es el equivalente a la información que transmitirían
todos los habitantes del planeta hablando por teléfono a la vez, y
cada uno por 20 teléfonos.
¿Cómo se miden las partículas?: DETECTORES
Cada tipo de partícula deja una señal diferente en el detector
Con estas señales se puede reconstruir lo que ha ocurrido en
la colisión
Simulación de la producción de un agujero negro en el LHC
ProtónProtón
El detector ATLAS
El detector CMS
Las catedrales escondidasLos detectores son del tamaño de un edificio de 4-7 pisos
Física de Partículas: Situación actualEl Modelo Estándar es la teoría que describe la materia en términos de
12 partículas elementales (+ sus antipartículas) y 4 fuerzas fundamentales.
Es la teoría más exitosa y que ha pasado los tests experimentales más exigentes de la historia
La materia está hecha de quarks y leptones. Si se encuentra algo que no está hecho de ellos, es fácil para nosotros decir que no es materia
ordinaria, sino algo más...
Solo falta encontrar una última partícula: El bosón de Higgs, que se espera encontrar en el LHC.
Viaje al espacio exterior: La Cosmología
Bases de la cosmologíaLas galaxias se alejanEl corrimiento al rojo de las galaxias
La abundancia de elementos ligerosLa mayor parte es hidrógeno y helio
La radiación de fondoEl residuo en radiación de la creación de la materia. Es el 1% del ruido que se ve en un televisor mal sintonizado
La distribución de materia a gran escalaLas galaxias se distribuyen en cúmulos y vacíos
Las supernovas de tipo IaNos permiten conocer cómo es la expansión del espacio
Los movimientos de los objetos (rotación de galaxias, cúmulos...)Nos permiten conocer la distribución de materia porque están controlados por la gravedad
¿Cómo se observa todo esto?
Potentes telescopios tanto en
tierra como en el espacio
En muy diferentes longitudes de onda (no solamente en
luz visible)
También se observan otras partículas que
vienen del espacio
EL MODELO ESTÁNDAR DE LA COSMOLOGÍA: EL BIG BANGIdea fundamental: El Universo empezó con una gran explosión y desde entonces se está expandiendo y enfriando
Cómo es el universo actual depende de los detalles de la gran explosión, de la composición del universo y de su contenido en energía y materia
Se puede reconstruir la historia completa del universo estudiando con mucha precisión cómo es hoy en día
EL MODELO ESTÁNDAR DE LA COSMOLOGÍA: EL BIG BANG
Los objetos se alejan porque el espacio se
expande desde la gran explosión, pero
los objetos no se hacen más grandes
La expansión es consecuencia del big
bang, que fue una explosión del propio
espacio
La velocidad de la expansión depende del contenido en
energía del universo
LA RADIACIÓN DE FONDO DE MICROONDAS
El brillo residual de la aparición de la materia tal y como la conocemos todavía se puede observar hoy
Pero ya no es luz visible, porque se ha enfriado desde su origen hasta hoy
Estudiando con mucha precisión este brillo residual, se puede obtener mucha información acerca del universo
Procede de cuando el universo tenía 380000 años de edad. Es decir, de hace unos ¡¡13600 millones de años!!
Si el universo fuera una persona de 80 años, esta radiación sería una foto de cuando tenía ¡¡13 meses!!
El proyecto WMAP
Se lanzó el 30 de junio de 2001
El 1 de octubre de 2001 llegó al punto lagrangiano 2 del sistema Tierra-Sol, a 1.5 millones de kilómetros de la Tierra
Todavía está funcionando
Ha supuesto una revolución en el conocimiento del cosmos por su enorme precisión
LA ESTRUCTURA A GRAN ESCALA DEL UNIVERSOLa materia no se distribuye de manera uniforme a distancias pequeñas, solamente a distancias muy grandes
Estudiando cómo se distribuye se pueden entender muchos detalles sobre la evolución del universo y su composición
Actualmente se tiene una imagen bastante detallada de cómo se han formado las grandes estructuras que se observan en el universo
Se han catalogado más de 100 millones de objetos celestes, y hay muchos más proyectos previstos para catalogar más objetos y más lejanos
El objeto más lejano que se conoce es una galaxia con z=8, lo que significa que la vemos como era hace 12979 millones de años, y que actualmente está a 29838 millones de años luz de distancia
LAS SUPERNOVAS TIPO 1A: CANDELAS ESTÁNDAR
Se utilizaron por primera vez en 1998
Por su enorme brillo, se pueden ver a distancias enormes
Esto permite obtener información sobre la composición y la geometría
del universo
Todas brillan lo mismo porque son iguales. Se producen en sistemas
binarios, cuando una enana blanca absorbe material de su compañera
gigante hasta que explota
Por eso son “candelas estándar”: Se pueden utilizar como indicadores de distancia. Si brillan menos es porque están más lejos, puesto que sabemos
que en realidad son todas iguales
Han producido el descubrimiento más importante de los últimos años
LOS MOVIMIENTOS DE LOS OBJETOS CELESTES
La única fuerza que actúa es la gravedad
Estudiando los movimientos de los objetos se puede medir la masa que tienen y entender el contenido de materia del
universo
LOS PARÁMETROS COSMOLÓGICOSUtilizando las observaciones anteriores, se puede describir el universo utilizando una serie de parámetros (densidades de energía, materia y radiación, curvatura y energía del vacío)
Dependiendo de sus valores, la geometría del universo puede ser abierta, plana o cerrada
Al valor de la densidad que hace que la geometría sea plana se le llama densidad crítica
Además, dependiendo de la proporción de energía de cada tipo, el universo puede expandirse para siempre o colapsarse sobre sí mismo en el futuro
LOS PARÁMETROS COSMOLÓGICOS
Combinando todas las observaciones que se han hecho sobre el universo y comparando con la teoría podemos obtener los parámetros cosmológicos
LA GRAN SORPRESA: EL LADO OSCURO DEL UNIVERSO
LA GRAN SORPRESA: EL LADO OSCURO DEL UNIVERSOSORPRESA 1
Las medidas de la radiación de fondo nos dicen que la densidad del universo es la densidad crítica
SORPRESA 2Las medidas de la estructura a gran
escala y el movimiento de los objetos nos dicen que la cantidad de materia
ordinaria no es suficiente para llegar a la densidad crítica...¡¡¡Y que la mayor parte de la materia del universo es
diferente a la que hay en la Tierra!!! MATERIA OSCURA
SORPRESA 3Las medidas de supernovas de tipo Ia encuentran la densidad que falta en
una misteriosa forma de...¡¡¡ENERGÍA OSCURA!!!
El descubrimiento más importante de los últimos años en cosmología y en
física en general
LA GRAN SORPRESA: EL LADO OSCURO DEL UNIVERSO
“No entendeis el poder del lado oscuro” (Darth Vader, Star Wars,
episodio 3)
“No os dejeis cegar por esas luces. El lado oscuro controla el universo: La materia oscura lo mantiene unido. La energía oscura determina su destino
final.”
El 95% del contenido en energía del universo es desconocido. El Modelo
Estándar de las partículas elementales solamente describe el
5% restanteLa energía oscura es tan extraña que provoca una fuerza de gravedad
repulsiva, y esto hace que la expansión del universo no se frene, sino que se acelere. El universo tiene geometría plana, pero se expandirá para siempre, y
cada vez más rápido
El cosmos es grande, oscuro y vacío
Por muy extraño que parezca,
todas las observaciones
concuerdan con el cosmos
oscuro
Desvelar la naturaleza del
lado oscuro es el mayor reto al
que se enfrenta la física
La materia oscura y la energía oscura NO ESTÁN en el Modelo Estándar de las partículas elementales: Es una teoría INCOMPLETA
Los problemas de la cosmología y de la física de partículas son
comunes
¿Qué es la materia oscura? No se sabe nada, hay algunas
propuestas que vienen de las teorías que son extensiones del
Modelo Estándar
¿Qué es la energía oscura? Se sabe menos aun. No hay ningún
candidato conocido salvo la “energía del vacío”, que está en
profundo desacuerdo con el Modelo Estándar
El principal problema para el futuro es descubrir la naturaleza del lado oscuro del universo
Problemas comunes a física de partículas y cosmología
¿Por qué?
COSMOLOGÍA (relatividad general) -> OBJETOS MASIVOSFÍSICA DE PARTÍCULAS (Modelo Estándar) -> OBJETOS
PEQUEÑOS
En situaciones habituales nunca hay necesidad de utilizar las dos teorías juntas. Los objetos o bien son masivos o bien son
pequeños. Nunca ambas cosas a la vez.
PERO
El BIG BANG (el universo en sus primeros instantes) fue tanto masivo (masa completa del universo) como pequeño (puntual)
Ambas disciplinas están directamente relacionadas
Problemas comunes a física de partículas y cosmología
El exitoso Modelo Estándar solamente describe un 5% del universo
No estamos hechos de la misma materia que los cielos
¿Volvemos a la edad media?
El 95% restante del universo es absolutamente desconocido
Para ir más allá en la descripción del cosmos se necesita extender la teoría
Posibles extensiones (conocidas)Nuevas fuerzas
fundamentales hasta ahora desconocidas
Nuevas partículas elementales
Dimensiones ocultas del espacio-tiempo
Cómo estudiar estas posibilidades
Colisionadores (presentes y futuros): LHC, Tevatrón...
Física de neutrinos: Double-Chooz, NEXT...
Experimentos de física de astropartículas: AMS, CTA, MAGIC, ArDM...
Proyectos de cosmología: DES, PAU...
¿Demasiado ambicioso?
"La raza humana siempre ha querido mirar más allá del horizonte, para ver lo que hay allí... A cada lado nuestro, el Universo tiene estructura en escalas hasta del orden de miles de billones
de billones de billones de veces más grandes o más pequeñas que la nuestra. Porque este rango no es completamente infinito, hay esperanza de que un día podamos entender completamente
las estructuras del Universo, desde las más pequeñas hasta las más grandes que podamos conocer...La única cosa que parece ser ilimitada es el poder de la razón."
Stephen Hawking
