Post on 10-Jul-2015
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Descubrimientos recientes en Física y Astrofísica
Del Big Bang a la materia y energía oscuras
Un poquito de física: la espectroscopía
Una herramienta imprescindible: los espectros
Edwin Hubble (1889-1953)
~1929
Unas observaciones sorprendentes...
λreposo
λobservada
λobservada
TODAS LAS GALAXIAS SE ALEJAN DE NOSOTROS...
...entonces...
...si proyectamos la película al revés...
...en algún momento todas las galaxias estaríandonde nosotros estamos ahora...
¿ESTAMOS EN EL CENTRO DEL UNIVERSO?
...¡qué casualidad!, ¿no?
Desde cualquier galaxia se ven alejarse todas las demás: el comienzo, el Big Bang, no tiene un centro, no hay un punto privilegiado en el Universo.
Relatividad general: el espacio se expande...
La interpretación de la expansión es que es el tejido del espacio la que se expande y no las galaxias las que se mueven en un espacio que es ajeno a ellas.
La historia del Universo
1978: Arno A. Penzias y Robert W. Wilson por el descubrimiento de la radiacióncósmica de fondo.
2006: John C. Matter y George Smoot por el descubrimiento de las anisotropías de la radiación del fondo cósmico de microondas.
Cuatro Premios Nobel...
Arno Penzias y Robert Wilson con su antena en Holmdel (New Jersey). El ruidoelectrónico que inundaba la antena resultó ser el eco fósil del Big Bang.
La radiación observada, en el rango de las microondas (longitud de onda del orden de milímetros) se ajusta perfectamente a la de un cuerpo negro (radiador perfecto) a una temperatura de 2,725 grados Kelvin (~ -270 ºC).
Las anisotropías en la radiación de fondo descubiertas por COBE(~1990) y refinadas por WMAP(~2010) y Planck (2013) son los embriones o las semillas de las que, millones de años después, nacieron las primeras galaxias.
La imagen del Universo más primitivo (380.000 años)
Misión Planck, Agencia Espacial Europea (ESA)
¿De qué está hecho el Universo?
No parece ser el caso: alguna clase de materia oscura es necesaria para explicar las curvas de rotación de las galaxias.
¿Solo de materia ordinaria, es decir, constituida por átomos y moléculas y a su vez por protones, electrones y neutrones, y a su vez por quarks?...
Observada
Esperada
Los astrónomos atribuyen estadiferencia a la materia oscuraV
eloc
idad
de
rota
ción
Distancia desde el centro de la galaxia
Materia oscura: lentes gravitatorias
Materia oscura: lentes gravitatorias
¿Y eso es todo?...
En busca de una ‘candela estandar’ para estudiar el Universo lejano: las supernovas Ia
dfactor de expansión= v/H0
dluminosidad
Se observa que dluminosidad> dfactor expansión. Pero para este cálculo estamos usando el valor actual del factor de expansión, es decir, de la constante de Hubble, H0. Para solucionar esta discrepancia hemos de admitir que la expansión era más lenta en el pasado de lo que es ahora, es decir, la constante de Hubble cuando la supernova explotó era menor de lo que es ahora: Hpasado < H0, y por tanto d = v/Hpasado, haciendo ambas distancias compatibles.
¿La expansión se está acelerando?: energía oscura
d conocidad desconocida
Brian P.Schmidt
Premios Nobel de Física, 2011
Saul Perlmutter Adam G. Riess
La historia de la expansión del Universo
EXPANSIÓN CONTINUA BIG CRUNCH
EXPANSIÓN ACELERADA BIG RIP (EL GRAN ‘DESGARRÓN’)
De acuerdo a la mejor descripción que poseemos hoy, solo conocemos la composición del ~4% del Universo... el ~96% restante está hecho de materia oscura (~23%) y “energía oscura” (~73%) cuyas composiciones y origen son completamente desconocidos...
Composición del Universo
Energía oscura~73%
Materia oscura~23%
“Materia normal”~4%
EL BOSÓNDE HIGGS
Construyendo la materia
Estructura y escala del átomo
El Modelo estándar
Existe una teoría, denominada Modelo estándar que explica por qué el mundo es como es y qué es lo que lo mantiene junto. Es una teoría simple que explica los cientos de partículas que se han descubierto y sus interacciones complejas con solo:
6 quarks6 leptones (el electrón es el más conocido)
Partículas que median en las interacciones (como el fotón).
Toda la materia conocida está compuesta de quarks y leptones, que interaccionan a través de las correspodientes partículas de intercambio.
El Modelo estándar es una buena teoría, pero no lo explica todo:la gravedad no está incluida en él.
Materia
Quarks Leptones
Mesones Bariones
Hadrones
Núcleos
Átomos
Moléculas
El Bosón de Higgs
© Daniel Whiteson, CERN (ideas)Jorge Cham (dibujos)
http://www.phdcomics.com/comics.php?f=1489http://vimeo.com/41038445
Por suerte, tenemos un “colisionador” el Large Hadron Collider (LHC) La magia de este aparato
es que podemos fabricar materia que no tenemos alrededor.
Tomamos dos clases departículas y las aniquilamos...
Lo que sale no es unre-arreglo de lo que entró.
Es una especie de “magiacuántica” en la que las partículasdesaparecen creándose otras.
Puedes creas cualquierpartícula... si tienes energíapara ello.
Es como pedir un menú:“¿qué me puede dar por
500 GeV?”
Puedes fabricar aquelloque “cuesta” esa energía o menos.
Por eso queremos que laenergía sea la mayor posible.
Cada vez que alcanzamos una energía dada, podemosexplorar un régimen totalmentenuevo...
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
Una de las partículas predichas por la teoría es...
El Bosón
de Higgs
El Higgs es responsablede dotar de masa a las partículas
¡Serás gordito!
Cuando uno piensa que las cosas tienen “masa” parece como si estuvieran “rellenas” de algo...
No hay ningún “relleno”
Las partículas tienen masa, pero no volumen
La masa es una característica de las
partículas, como la carga
Algunas tienen masa,otras no...
Es una clase de carga diferente
Dos cuerpos con carga eléctrica
se atraen
CARGAGRAVITATORIA
¿QUÉ ES LA MASA?
No existe masa negativa o gravedad
repulsiva
La gravedad es diferente a otras
fuerzas
Peter Higgs (1929- )
La teoría de Higgs se funda en esto:
Imaginemos un “campo” que permea todo el Universo.
Cada partícula “siente” este campo, pero de una forma distinta.
Algunas partículas son “frenadas” por este campo...
...masa grande.Otras partículascasi no lo sienten...
...masa pequeña.La pregunta de “por qué las
partículas tienenmasa se
reformula así:
¿POR QUÉ LAS PARTÍCULAS SIENTEN EL CAMPO DE HIGGS DE FORMA DIFERENTE?
El bosón de Higgs es la manifestación de ese campo
Hay muchas reacciones que pueden dar lugar a un Higgs, por ejemplo...
...fundiendo dos gluonestenemos un Higgs
...y el Higgs decae en dos quarks “bottom”
El problema es que hay muchas otras maneras de fabricar dos quarks bottom...
...es una de las cosas más comunesque uno puede fabricar...
El punto importante es que no podemos “mirar” dentro de estas reacciones...
...todo lo que podemos ver son los productos en los que decaen...
...pero lo que queremos saber es...
¿EXISTE EL HIGGS?
Tiempo devida:1.5610 -22 s
¿CÓMO SE DETECTÓ EL BOSÓN DE HIGGS?
Primero ocurre la colisión...
Dura 0.00000000000000000000001 segundos...
...y obtienes una medida de los productos de la reacción
Medimos la energía total...
ENERGÍA TOTALde la reacción
COLISIONES...contamos cuántas colisiones suceden por cada nivel de energía y construimos
nuestro conjunto de datos.
Imaginemos que tenemos 2 teorías que predicen los resultados:
NOHIGGS
SIHIGGS
Problema: la diferencia
entre ambas es MUUUUY pequeña
Es MUUUUUY difícil distinguir entre los 2 con nuestros datos
Necesitamos una
CANTIDAD ENORME de datos
Por eso el colisionador hace esto 40.000.000 de veces por segundo, todo el año...
ABIERTO 24 HORAS
Hay muchas otras maneras de “ver” el bosón de Higgs
Hay grupos investigando esta... Otros grupos investigan esta...
Miles de personas buscan en cada pequeño resquicio y la idea es mirar en todas
direcciones al mismo tiempo
Pequeñas evidencias aquí y allí se han combinado y han dado lugar
a algo CONVINCENTE...