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...