Los retos de la Física Fundamental en el siglo XXI

Transcripción

1 Los retos de la Física Fundamental en el siglo XXI Luis Ibáñez UAM-CSIC, Madrid 1 Semana de la Ciencia Residencia de Estudiantes 16 Noviembre 2013

2 Retrocedamos en el tiempo... 2

3 3

4 S. XVI El hombre deja de ser el centro del universo! Revolución Copernicana: Copérnico 1543 Kepler 1609 leyes del movimiento 4 de los planetas

5 Kepler asoció erroneamente los 5 planetas entonces conocidos a los 5 polihedros regulares Hoy sabemos que el número y movimiento de los planetas no es mas que un accidente geográfico Error: dar significado fundamental a hechos accidentales 5

6 La Física moderna empieza en el siglo XVII: Galileo Galilei 1604 Matematización de la Física Método científico 6

7 Optica 1687 Isaac Newton Fuerzas a distancia Leyes del movimiento Gravitación Universal Primera unificación! 7

8 Reformulación en el siglo XIX... Principio de Minima Acción: Lagrange Accion = S = Ldt 1834 Lagrangiano Hamilton Reproduce leyes de Newton y... 8

9 Noción de campo de fuerzas Coulomb Ampere Faraday J.C. Maxwell 1865 Luz = Radiacion electromagnetica Electricidad, Magnetismo y luz unificados: 9 c = 1 0 µ 0

10 A finales del siglo XIX se creía conocer el universo con bastante precisión salvo pequeños detalles: 1869 Mendeleiev Tabla de los elementos químicos Modelo atómico de Thomson No explica esa estructura

11 La curiosa estructura de los espectros de absorción y emisión de luz... La existencia de fenomenos radiactivos Roentgen, Curie Planck La radiación del cuerpo negro... 11

12 La constancia de la velocidad de la luz en sistemas en movimiento Otro error: Escepticismo respecto a la astrofísica: de los planetas(estrellas).... nunca sabremos nada desu estructura quimica o mineralogica.... Course de la Philosophie positive, A. Comte,

13 Otro error más: No hay nada nuevo que descubrir en Física en estos momentos. Lo único que nos queda es hacer medidas más y más precisas Lord Kelvin, 1900 Los pequeños detalles que no cuadraban llevaron a la revolución de la Física en el siglo XX 13

14 Los dos pilares de la Física del siglo XX: 1) Teoría de la Relatividad ) Mecánica Cuántica Bohr Schrodinger Heisenberg Pauli Dirac

15 1) Teoria Especial de la Relatividad c= constante = Km/s 1905 velocidad de la luz en el vacio independiente de la velocidad del emisor c= máxima velocidad de propagacion de las interacciones la masa es una forma de energía E = m 2 c 4 + p 2 c 2 mc mv masa = energia empaquetada

16 Einstein con Blas Cabrera en el centro de Madrid (1935) 16..y con Mme Curie

17 2) Mecánica Cuántica Acción multiple entero de h =6, Js Toda magnitud con unidades de acción esta cuantizada: (mv) x, E t, r mv = (entero)h x h (mv) 17 Imprecisión intrínseca en la medida de la posición

18 En el mundo (sub)atómico no tiene sentido hablar de trayectoria de una partícula X(t) Ψ(x, t) = Ψ(x, t) 2 Función de onda Las partículas se comportan como ondas y viceversa: 18

19 La M.C. permite entender la estructura de los elementos químicos......y las moleculas, cristales 19 toda la materia usual

20 Nucleo: protones (carga positiva) y neutrones (neutros) (ligados por la Interacción Fuerte ) Corteza: electrones (carga negativa) (Solo existen unos 100 tipos de átomos estables, pues la repulsión entre protones rompería los nucleos) 20

21 SIGLO XIX FISICA CLASICA SIGLO XX DISTANCIAS SUBATOMICAS MECANICA CUANTICA PARTICULAS ELEMENTALES TEORIA CUANTICA DE CAMPOS RELATIVIDAD ESPECIAL VELOCIDADES MUY GRANDES (DEL ORDEN DE LA DE LA LUZ) RELATIVIDAD GENERAL 21 ASTROS Y COSMOLOGIA

22 Mecánica Cuántica + Relatividad: Teoría Cuántica de Campos Pauli Dirac Feynman Por cada tipo partícula fundamental debe de existir una antipartícula, igual pero con cargas opuestas positrón Anderson

23 En una interacción relativista y cuántica el número de partículas no se conserva La masa se puede convertir en energía y viceversa (p.e. reactores/bombas nucleares) Choque p+p en el LHC (CERN): p + p muchas particulas 23

24 Ejemplo de cálculo en Teoría de Campos 24

25 c Mecanica Clásica N.R. Mecanica Cuántica N.R. M Mecanica C. Relativista Teoria Cuántica de Campos De la T.C. de C. se obtienen las otras como limites... 25

26 El Modelo Estandar de La Física de Partículas Es la Teoría Cuántica de Campos que describe 3 de las 4 interacciones fundamentales de la Naturaleza (El Lagrangiano del Modelo Estandar en una taza del CERN...) 26

27 Atomo Electron Nucleo Proton Neutron Gel-mann 27 Zweig Quark 1964

28 MATERIA USUAL QUARKS LEPTONES u d p own e! e BOSONES INTERMEDIARIOS Fuerza Nuclear Gluon MATERIA c harm µ Fuerza Debil EXISTENTE s trange! µ W, Z A ALTAS t op " Electromagnetica ENERGIAS b ottom! t Foton Fermiones Spin =1/2 28 Bosones Spin =1

29 LAS 4 INTERACCIONES FUNDAMENTALES Tipo de Fuerza Intensidad Partícula Mediadora Importante en : Nuclear Fuerte Gluón Nucleo atómico Electromagnética Fotón Corteza atómica Débil (estos 3 tienen masa) Radiactividad Beta ( ) Gravitación Gravitón Astros BOSONES INTERMEDIARIOS 29

30 El origen de la masa de las partículas elementales El MS predice la existencia de una nueva partícula: El Bosón de Higgs 1964 Higgs Englert 30 Brout

31 The Wall Street Journal El campo de Higgs llena el espacio y 31 frena a las partículas dandoles masa

32 T. Cuántica de Campos: los campos tienen partículas asociadas: el BOSON DE HIGGS Hubo que esperar casi 50 años pero el 4 de Julio de 2012: p + p Higgs(γγ)+X Experimentos ATLAS y CMS del (CERN) M Higgs = 126 GeV Un gran éxito de la Física 32 Teórica (y experimental!)

33 La predicción de Homer Simpson resultó incorrecta... = 303 GeV 33

34 LHC GINEBRA CERN CMS LHC-b CERN ATLAS ALICE LHC-b ATLAS ALICE CMS LEP/LHC!Nuevas interacciones fundamentales! 34 Interacciones de Yukawa

35 El Lagrangiano del Modelo Standard Algunos de sus artifices en el IFT, Madrid, Dic Veltman, Glashow, Gross

36 Y la Gravitación? Juan Garcia-Bellido os lo ha contado maravillosamente! 36

37 Teoría Relativista de la Gravitación de Einstein La energía (no solo la masa) gravita 1915 La energía curva el espacio alrededor 37 Agujeros negros

38 Aplicada al Universo como un todo: COSMOLOGÍA Hubble, 1929 Lemaitre, 1927 Fridman Universo en expansión desde hace 13, años a=tamaño del universo ρ = densidad materia/radiacion 38 K = curvatura

39 Fondo Cósmico de Microondas Inhomogeneidades predichas por inflación Text Nucleosíntesis primordial Gamow Abundancias elementos químicos en el Universo

40 Λ = constante cosmologica? En T.C.C. : Λ = energia del vacio Que es la energía oscura? 40 Nuevo tipo de materia que interactua muy debilmente Materia oscura De que está compuesta?

41 Los retos del siglo XXI... 41

42 Por qué las masas de quarks y leptones son las que son? Neutrinos Oscilan entre si.. 42

43 Tipo de Fuerza Intensidad Partícula Mediadora Importante en : Nuclear Fuerte Gluón Nucleo atómico Electromagnética Fotón Corteza atómica Débil Radiactividad Beta Gravitación Gravitón Astros Por qué hay 4 interacciones fundamentales? Por qué tienen intensidades tan diferentes? 43

44 T.C. de Campos: intensidad depende de la energía a la que se mide INTENSIDAD Georgi,Quinn,Weinberg (1974) DEBIL ELECTROMAGNETICA FUERZA NUCLEAR Sugiere una unificación a energías enormes M X = GeV 10 2 ENERGIA (GeV) Que unificación? ZONA ACCESIBLE A ACELERADORES 44

45 M X = GeV Esta gran escala de unificación está cercana a la escala de energías donde los efectos cuánticos gravitacionales se hacen tan fuertes como los de las otras 3 : c M P = = GeV 8πG N Escala de Planck? Unificacion dela 4 interacciones? M X M P 45

46 El problema de la estabilidad del Higgs M W M X M Planck 100 M Higgs ENERGIA (GeV) Escala Electrodebil Escala Gran Unificacion Escala de Planck H H Particulas Virtuales 46

47 En Física normalmente no hay ajustes finos Ejemplo: Radio del átomo de Hidrógeno e, m e, M X, M P, M H,... Radio 2 m e e 2 Estimación magnitud Radio = m e e 2 = cm Cálculo completo en M.C. M Higgs M X GeV Experimentalmente : 126 GeV Mismo problema con la c.c.: Λ (Gev) 4 (10 36 (GeV ) 4 ) Hay algo que no entendemos: 47 problema de Naturalidad

48 48

49 Supersimetría Quark q q ~ Squark Una elegante solución: SUPERSIMETRÍA (para el Higgs, no para la c.c.) Electrón Neutrino e e ~ e Fermiones Bosones ~ e Selectrón Sneutrino Para cada tipo de partícula debe existir una compañera supersimétrica Gluon g g ~ Gluino Gravitón Bosones Fermiones G G ~ Gravitino 1974 Fotón ~ Fotino 49 Wess Zumino

50 H H Particulas Virtuales q,l,w,!,"... Las nuevas partículas SUSY estabilizan al Higgs H S-Particulas Virtuales H q,l,w,!,"... ## # # # 50

51 Particulas SUSY mas ligeras, los neutralinos, son estables Candidatos naturales para constituir la materia oscura Squarks, gluinos, etc.., son muy masivos.. pero debiera ser posible detectarlos en el acelerador LHC del CERN Neutralinos No dejan trazas cargadas en los detectores 51

52 Falta energía en esta dirección se detectarían indirectamente 52

53 No hay traza de Supersimetría en el LHC hasta el momento : $# "'$)*()$# "($ Masas de Squarks y gluinos > 1700 GeV! Quizá SUSY no sea la solución al problema de 53 la naturalidad!!!

54 Por qué el Higgs pesa 126 GeV? 54

55 SM Supersimétrico 126 es un valor especial... SM LHC 55 m h...universo al borde de la catastrofe (lejana en el tiempo...)? Top pole mass Mt in GeV Instability Metastability ,2,3 Σ Higgs pole mass M h in GeV Stability Top mass Mt in GeV Metasta Higg

56 El reto de la Gravitación Cuántica: No tenemos todavía una Teoría Cuántica de la Gravitación completa Aplicando las recetas de la Teoría Cuántica de Campos se llega a inconsistencias matemáticas Muchos físicos piensan que hay que abandonar la idea de que las partículas elementales son puntuales 56

57 La Teoria de Cuerdas y la Unificación de las Interacciones (en construcción) 57 Veneziano Schwarz Green Gross Witten Maldacena

58 Partícula + Energía Partícula + Armónicos Si suministráramos una enorme cantidad de energía a una partícula elemental revelaríamos su estructura de cuerda quark quark quark quark 58

59 Cuerdas abiertas Cuerdas cerradas Quarks, leptones, gluones, W, Z, fotón Gravitón La Teoría de Cuerdas exige la existencia de la gravitación Inconsistencias matemáticas al combinar gravitación+m.c. desaparecen por el caracter no puntual de las interacciones: Todas las interacciones unificadas! 59

60 La Teoría de Cuerdas tiene su expresión mas simple en 1+9 dimensiones (en vez de 1+3) Dimensiones extra: Una vieja idea: Dimensiones habituales Kaluza Klein R Quinta dimensión R << Distancias exploradas en aceleradores Inobservables con las energías habituales... 60

61 6 Dimensiones extra Puede explicar por qué hay 3 generaciones de fermiones 6 dimensiones extra están compactificadas Determina p.e. la estructura de la masa de leptones y quarks... Hay soluciones que dan lugar a una estructura muy, similar al MS 61

62 La Teoría contiene además nuevos objetos extensos D-branas Generalización de las cuerdas a mas dimensiones: Las cuerdas abiertas comienzan y terminan en D-branas 1995 D-branas 62 Polchinski

63 Las partículas del MS vienen de vibraciones de las 63 cuerdas en las intersecciones

64 Antes de 1995 pensabamos que habia 5 tipos de cuerdas: Tipo I Gliozzi,Scherk,Schwarz (1977) Tipo II-A Tipo II-B Heterotica Heterotica E 8 x E 8 SO(32) Green,Schwarz (1984) Gross,Harvey, Martinec,Rohm (1986) 1995 : Están unificadas en una estructura matemática única: Teoría M 64

65 Unas sorprendentes simetrías conectan las teorías: D = 11 D = 10 D = 9 S M C C II-B II-A E x E T T II-B II-A E 8 x E 8 SO(32) S 8 8 SO(32) I C C C C Dualidad-S Teoria con intensidad g = Teoria con intensidad 1 g Fuerte=Débil Dualidad-T Cuerda con una dimension extra de radio = Cuerda con una dimension extra de radio 65 R 1 R Grande = Pequeño

66 PROBLEMA: existe un número enorme de soluciones de las ecuaciones de la Teoría M: soluciones, cada una con diferentes constantes de la naturaleza y tipos de partículas Nosotros Por qué esta solución? 66 Paisaje de la T. de Cuerdas 2000 Polchinski Susskind Bousso

67 Es un problema o una bendición? Universo inflacionario: se crean nuevos universos sin cesar Cada universo corresponde a una diferente solución de la T. de Cuerdas Solo podemos vivir en un universo que permita la aparición de la vida Una enorme mayoría de las soluciones de T. Cuerdas son incompatibles con la aparición de la Química (y la vida!) Es bueno que haya (P ara que el hecho improbable de la aparicion de la vida sea posible) 67 Nuevo giro Copernicano!

68 ALGUNAS magnitudes físicas podrían venir determinadas por que valores distintos serían incompatibles con el universo que observamos: Λ c.c. = M 4 P (si no, no habría formación de galaxias) m u < m d (si no no habría átomos estables) m Higgs M P Weinberg (átomos inestables) En este caso Supersimetría no sería relevante para la estabilidad del Higgs... Quizá habrá que renunciar a que todas magnitudes físicas sean predichas por la teoría: algunas magnitudes serían Históricas, no fundamentales: NO COMETER 68 EL ERROR DE KEPLER DE NUEVO 1987

69 La temperatura media de la tierra y la abundancia de agua son requisitos para que estemos aqui... 69

70 Es la Teoría de cuerdas la Teoría Unificada definitiva? Probablemente sí, pero nos llevará posiblemente bastante tiempo encontrar una formulación completa En esa formulación completa es posible que el espacio y tiempo aparezcan como conceptos derivados, no fundamentales Se puede verificar experimentalmente la Teoría de Cuerdas? No hay que volver a repetir el error de Comte! 70

71 Los futuros experimentos serán vitales: Detección directa de matería oscura? Energía oscura? Ondas gravitacionales? LHC: Supersimetría?, materia oscura? mas Higgses?, nuevas partículas? Física de neutrinos, axiones, nuevos bosones,... Detalles? No debemos repetir 71 el error de Lord Kelvin!

72 avancemos en el tiempo... 72

73 Comienzo construcción: Colisiones: 2030

74 El señor de los anillos......de colisión 74

75 75 Gracias!

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77 Transparencias de reserva... 77

78 20 20 m u m e m d FIG. 1: The anthropic constraints on m u, m d, m e in MeV units. key feature here is that the pion mass-squared 78 is proportional to this sum of masses, and as the pion mass gets larger nuclear binding quickly becomes weaker. The

79 ...pero eso no va a ocurrir mañana... 79