La Frontera de la Física Fundamental. ... y más allá. Residencia de Estudiantes, Noviembre Alberto Casas
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- Sandra Peña Contreras
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1 La Frontera de la Física Fundamental... y más allá Residencia de Estudiantes, Noviembre 2017 Alberto Casas
2 Qué es una frontera de la ciencia? Algo que no conocemos y desearíamos conocer Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
3 Cáncer Células madre Cambio climático Energías renovables Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
4 Una frontera especial: La frontera del conocimiento básico = Explicación de las cosas al nivel más profundo posible = Frontera de la Física Fundamental
5 Viajar hasta la frontera de la física fundamental es bastante fácil Solo hay que observar cualquier cosa y preguntar: Por qué?
6 Por qué...? Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
7 Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
8 Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
9 Tabla Periódica Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
10 ? Tabla Periódica Átomo Rutherford (1909) Bohr (1913) Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
11 protón neutrón electrón Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
12 protón neutrón electrón Por qué existen estas tres partículas y a qué se deben sus propiedades? Esta pregunta sólo ha podido ser respondida parcialmente Aquí es donde chocamos con la frontera del conocimiento básico Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
13 Todo lo que sabemos sobre las par/culas elementales está sistema5zado en una teoría de gran éxito: El Modelo Estándar Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
14 Frontera actual Modelo Estándar Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
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16 Paréntesis: Cómo hemos llegado a este conocimiento? Método Científico Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
17 Libros de texto
18 Método científico según los libros de texto: Observación Hipótesis Experimento Éxito Fallo Teoría Ley
19 Método científico según los libros de texto: Observación Hipótesis Experimento Éxito Fallo Teoría Ley
20 Método científico según los libros de texto: Observación Hipótesis Experimento Teoría
21 Observación Experimento Teoría Hipótesis
22 Hipótesis
23 Hipótesis basadas en: Observación Falta de consistencia matemática Reducción al absurdo Búsqueda de simplicidad Búsqueda de belleza
24 Teoría Experimento
25 Modelo Estándar (~1980) Teoría de la Relatividad Mecánica Cuántica
26 Modelo Estándar (~1980) Componentes de la Materia Interacciones
27 Materia protón neutrón u u d d d u quarks
28 ν e u e d 1 a familia de partículas elementales casi todo está hecho con ellas
29 ν e u e d 1 a familia ν µ c µ s 2 a familia ν τ t τ b 3 a familia Por qué?
30 Interacciones 4 interacciones básicas gravitatoria fuerte electromagnética débil
31 Estas interacciones están mediadas por otras partículas: mensajeras de la interacción e e γ Interacción Electromagnética Intercambio de fotones e e
32 Tipo de Interacción Partícula Mediadora Electromagnética γ (fotón) Fuerte g (gluón) Débil bosones W, Z Gravitatoria G (gravitón)
33 Las interacciones básicas de la naturaleza son consecuencia de simetrías subyacentes Tipo de Interacción Partícula Mediadora Electromagnética γ (fotón) Fuerte g (gluón) Débil bosones W, Z Gravitatoria G (gravitón)
34 Resumen quarks Higgs leptones mediadoras de la interacción
35 Resumen quarks Higgs leptones mediadoras de la interacción
36 4-Julio 2012 CERN (Ginebra) Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
37 Dic 10, 2013 El bosón de Higgs fue descubierto casi 50 años despúes de haber sido propuesto Por qué se tardó tanto?
38 Porque antes no había capacidad experimental para conseguirlo La física de partículas experimental y la correspondiente tecnología aún no estaban suficientemente maduras
39 LHC Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
40 Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
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42 Para avanzar en la física fundamental no solo hacen falta buenas ideas También instalaciones experimentales
43 Pero si el Mod. Est. funciona tan bien, Por qué ir más allá? Qué hay de malo con el Mod. Est.? Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
44 Señales de Física más allá del Modelo Estándar Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
45 Indicaciones experimentales Indicaciones teóricas Indicaciones estéticas
46 Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid Materia Oscura
47 Energía Oscura Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
48 Composición del Universo Energía Oscura, 69% Materia Oscura, 26%???? Materia Ordinaria, 5% Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
49 Asimetría materia - antimateria Por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria? El ME no posee los ingredientes para generar esta asimetría
50 Problemas estéticos Recordar... ν e u e d 1 a familia ν µ c µ s 2 a familia ν τ τ b 3 a familia??? t Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
51 Problemas estéticos El Modelo Estándar tiene unos 20 parámetros cuyo valor hay que poner a mano Masas Intensidad de cada interacción Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
52 Problemas estéticos Todo indica que el Modelo Estándar es una teoría efectiva a baja energía de otra teoría más fundamental. Del mismo modo que la teoría de Galileo de la caída de cuerpos es una teoría efectiva de la Ley de Newton Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
53 ~F ~a Newton: F = G Mm r 2 Galileo: a = g = const. Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
54 Creemos que el Modelo Estándar es una teoría efectiva de otra más fundamental Cuál?
55 Problemas teóricos Posiblemente los más importantes tienen que ver con la Gravitación Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
56 quarks Higgs gravitón leptones mediadoras de la interacción
57 La descripción más exquisita, elegante y exitosa que tenemos de la gravedad es la proporcionada por la Teoría de la Relatividad General, de Einstein (1915) Gravedad = Geometría
58 R µ 1 2 Rg µ = apple T µ Geometría Energía Ley de Newton (mejorada) Expansión del Universo (Big Bang) Agujeros negros Ondas gravitacionales
59 Problema esencial de la Relatividad General: No es una teoría cuántica La geometría ( g µ, R µ en cada punto del espacio-tiempo (= teoría clásica) ) está bien definida
60 Pero... R µ 1 2 Rg µ = apple T µ Geometría Energía clásica cuántica
61 Por qué no se ha visto esta inconsistencia experimentalmente? Mundo cuántico (gravedad irrelevante) Mundo clásico (Mec. Cuántica irrelevante)
62 Pero en casos de campo gravitatorio extremo, los efectos cuánticos son cruciales Agujeros Negros Big Bang Precisamente estos casos son problemáticos en RG pura debido a la aparición de singularidades
63 Para resolver estos problemas, se ha trabajado intensamente en las últimas décadas. La propuesta más importante es la Teoría de Cuerdas....aunque todavía no se ha podido comprobar experimentalmente
64 Hipótesis basadas en: Observación Falta de consistencia matemática Reducción al absurdo Búsqueda de simplicidad Búsqueda de belleza
65 La Teoría de cuerdas podría arrojar luz sobre otros misterios
66 James C. Maxwell ( ) 1865: Ecuaciones de Maxwell
67 Ecuaciones de Maxwell (1865)
68 Las leyes de Maxwell unifican la electricidad y el magnetismo en una sola interacción: ELECTROMAGNETISMO de una forma consistente
69 Pero hay más... De sus ecuaciones Maxwell dedujo que los campos eléctrico y magnético se pueden propagar como ondas: ondas electromagnéticas
70 Maxwell pudo calcular la velocidad de esas ondas: v = 1 p µ0 0 = c Este valor coincidía con la velocidad de la luz!
71 La luz es una onda electromagnética Las ecuaciones de Maxwell unifican electricidad, magnetismo y óptica
72 Espectro Electromagnético
73 Y aún hay más... Las ecuaciones de Maxwell llevan dentro de ellas la semilla de la Relatividad Einstein formuló la Teoría de la Relatividad Especial para hacer consistentes las leyes de la cinemática y la dinámica con las Ecs. de Maxwell
74 Todo esto surgió...
75 Historia semejante con La Teoría de la Relatividad Especial Las Interacciones Débiles
76 E s m u y p o s i b l e q u e c u a n d o conozcamos el truco de la naturaleza para hacer consistentes la Mecánica Cuántica y la Relatividad General, a p r e n d a m o s c o s a s n u e v a s y fascinantes sobre la naturaleza
77 Modelo Estándar Nueva Física LHC Gravedad Cuántica 200 GeV 1 TeV M P GeV Energía Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
78 Problema de la jerarquía/naturalidad Por qué las partículas tienen las masas que tienen? Y no son, por ejemplo, un millón de veces más pesadas? Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
79 Problema de la jerarquía/naturalidad H t Contribuciones cuánticas a la masa del Higgs: t gigantescas si no hay nueva física a energías Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
80 Modelo Estándar Nueva Física LHC Gravedad Cuántica 200 GeV 1 TeV M P Energía Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
81 Qué nueva física? Supersimetría Technicolor Dimensiones extras... Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
82 Supersimetría Simetría que relaciona partículas con distinto espín: La situación recuerda a la predicción de las antipartículas que realizó Dirac en 1928 Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
83 Supersimetría Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
84 Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
85 Supersimetría? Modelo Estándar Nueva Física LHC Gravedad Cuántica 200 GeV 1 TeV M P Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid Una de estas partículas podría ser la responsable de la materia oscura
86 Hasta ahora no ha aparecido nueva física en el LHC Aún es pronto para afirmar que esa nueva física (ej. supersimetría) no existe. Aún quedan años en los que el LHC va a seguir explorando. Es posible que haya algo erróneo en el razonamiento acerca de la naturalidad Área de investigación
87 El futuro de la Física Fundamental Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid
88 ... seguir investigando
89 Teoría Experimento
90 Experimento LHC Nuevos aceleradores ( TeV) Detectores de Materia Oscura Ondas gravitacionales
91 Visión pesimista Modelo Estándar Gravedad Cuántica 200 GeV M P Energía Posiblemente la nueva física esté a energías inaccesibles a cualquier experimento humano
92 Nunca sabremos la composición química de las estrellas, ni su temperatura Auguste Comte, se equivocó completamente!
93 Curiosamente hoy conocemos las estrellas mejor que la propia Tierra: Su composición Su temperatura Su velocidad Cómo nacen, viven y mueren
94 Teoría Los misterios sin resolver son una gran fuente de inspiración Teoría Experimento
95 Objetivo final de la Física Fundamental: La explicación última de todas las cosas = Teoría del Todo Podremos alcanzarlo algún día?
96 Posibles dificultades: Existe una explicación científica última de la naturaleza? Están nuestros cerebros capacitados para entenderla?
97 Posibles dificultades: Tal vez aún no sabemos lo suficiente para resolver muchos de los misterios pendientes De la misma forma que hubo que esperar hasta ~1920 para poder comprender por qué brillan las estrellas Investigar en todos los frentes
98 Posibles dificultades: Podría la humanidad perder el interés en seguir entendiendo la naturaleza? Seamos optimistas!
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α β γ W Z α β 10 20 3 x 2 x 2 = RT 3πηN a a t η N a 6 10 23 N a N a F = N a q N a = 10 23 q = F /N a = 96500 /10 23 10 18 N a = 6, 02 10 23 q = F /N a = 96500 /6, 02 10 23 = 1, 60
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