Fósiles cósmicos. La topología del vacío en el Universo Primitivo. Ana Achúcarro UPV 07 Leioa, 20/11/07 Ciclo: La mujer, innovadora de la ciencia?

Transcripción

1 Fósiles cósmicos La topología del vacío en el Universo Primitivo Ana Achúcarro UPV 07 Leioa, 20/11/07 Ciclo: La mujer, innovadora de la ciencia?

2 EL VACIO CLASICO: Vacío,a adj. Falto de contenido. [ ] 10 Fis. Espacio que no contiene aire ni otra materia perceptible por medios físicos ni químicos.

3 EL VACIO CUANTICO tiene fluctuaciones de energía y pares partícula-antipartícula que se crean y se aniquilan.

4 EL VACIO CUANTICO ES ACTIVO (reacciona, por ejemplo, a la presencia de cargas) NO ES NECESARIAMENTE UNICO SU ESTRUCTURA PUEDE CAMBIAR

5 MAS DE UN VACIO? : una analogia mecanica barras metálicas muelles bisagras Caliente - vibración (vertical) simetria izquierda - derecha G=Z 2 Frio - no hay movimiento (las barras caen)

6 Frio : no hay movimiento - las barras caen barras caen a la derecha barras caen a la izquierda No hay simetria izquierda-derecha El conjunto de estados de minima energia V = G /H variedad de vacio tiene dos componentes disconexas

7 CONFIGURACIONES DE MINIMA ENERGIA: VACIOS Rotura espontanea de simetria barras caen a la derecha barras caen a la izquierda DEFECTOS TOPOLOGICOS No hay simetria izquierda-derecha VACIO(S) = ESTADO(S) DE MINIMA ENERGIA (energia que no es cero - fluctuaciones) KINK ANTIKINK EL VACIO NO SIEMPRE ES UNICO

8 LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES: ELECTROMAGNETISMO NUCLEAR DEBIL ELECTRODEBIL NUCLEAR FUERTE GRAVITACION

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12 Una posible historia del Cosmos El modelo standard de la cosmologia Today Life on earth Solar system Quasars Galaxy Formation Gravitational collapse Atoms form relic radiation decouples Matter domination onset of grav. instability t = 13.5 billion years Nuclear reactions start light elements D, He, Li protons, neutrons form protons, neutrons form Electroweak phase transition Hay modelos alternativos: braneworlds Supersymmetry Grand Unification transition Inflation, defects, baryogenesis ESPECULATIVO The Planck epoch quantum gravity

13 COSMOLOGIA EN EL 2007 Lo que vemos: El Universo que observamos parece ser: Isótropo y homogéneo (a escalas > 10 Mpc) (3+1)-dimensional Espacialmente plano y se expande (72 kms/s/mpc hoy ) a un ritmo acelerado (la constante cosmológica es positiva). El 90% de la materia en el Universo es oscura (no luminosa, no bariónica, desconocida)

14 Un Universo homogéneo e isótropo solo tiene un grado de libertad factor de escala a(t) (curvatura espacial k=+1,0,-1) Las ecuaciones de Einstein nos dan a(t) dependiendo de tres terminos: -materia ρ ~ 1/a 3 radiacion ρ ~ 1/a 4 -constante cosmologica ~ constante -curvatura espacial ~ k/a 2 ( los porcentajes deben sumar 100% en unidades adecuadas) Al principio domina la radiación, al final la constante cosmológica

15 Courtesy M. Kunz Slide 33 QuickTime and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture.

16 DEFECTOS TOPOLOGICOS: una analogia mecanica barras metalicas muelles bisagras simetria izquierda - derecha Caliente - vibracion (vertical) Frio - no hay movimiento (las barras caen)

17 CONFIGURACIONES DE MINIMA ENERGIA VACIOS Rotura espontanea de simetria DEFECTOS TOPOLOGICOS KINK ANTIKINK

18 CUERDAS COSMICAS (VORTICES) Energia localizada en una linea

19 UN DEFECTO TOPOLOGICO ES UNA CONCENTRATION DE ENERGIA QUE PUEDE MOVERSE PERO NO (FACILMENTE) DISIPARSE EN 3 DIMENSIONES, EL KINK DA LUGAR A PAREDES DE DOMINIO LAS PAREDES DE DOMINIO APARECEN SI EL CONJUNTO DE ESTADOS DE MINIMA ENERGIA TIENE DOS O MAS COMPONENTES DISCONEXAS π 0 (V) 1 LOS VORTICES SE FORMAN SI EL CONJUNTO DE ESTADOS DE MINIMA ENERGIA CONTIENE CIRCULOS NO CONTRACTIBLES π 1 (V) 1 Y LOS MONOPOLES SI CONTIENE ESFERAS π 2 (V) 1

20 UN DEFECTO TOPOLOGICO ES UNA CONCENTRATION DE ENERGIA QUE PUEDE MOVERSE PERO NO (FACILMENTE) DISIPARSE EN 3 DIMENSIONES, EL KINK DA LUGAR A PAREDES DE DOMINIO LAS PAREDES DE DOMINIO APARECEN SI EL CONJUNTO DE ESTADOS DE MINIMA ENERGIA TIENE DOS O MAS COMPONENTES DISCONEXAS π 0 (V) 1 LOS VORTICES SE FORMAN SI EL CONJUNTO DE ESTADOS DE MINIMA ENERGIA CONTIENE CIRCULOS NO CONTRACTIBLES π 1 (V) 1 Y LOS MONOPOLOS SI CONTIENE ESFERAS π 2 (V) 1

21 TRANSICION DE FASE Y FORMACION DE VORTICES

22 Cosmic defect formation Kibble (1976) : if defects are stable, they will inevitably form in the early Universe

23 Cuerdas cosmicas: evolucion del network ~1990 Primeros experimentos en Bell Labs Invariancia de escala interconmutacion Chuang, Durrer, Turok, Yurke Science 91 Bowick, Chander, Schiff, Srivastava, Science 92

24 QuickTime and a YUV420 codec decompressor are needed to see this picture.

25 El Universo caliente y denso se va enfriando al expandirse. Transiciones de fase con rotura de simetría Defectos topológicos Puntos: monopolos Líneas: cuerdas cósmicas NO son supercuerdas Superficies: paredes de dominio... branas texturas Los defectos topológicos, incluso si no existen, son una herramienta muy importante a la hora de identificar el modelo microscópico correcto del Universo primitivo.

26 Defectos topologicos en el Universo? EL PROBLEMA DE LOS MONOPOLOS: Las Teorias de Gran Unificacion producen una cantidad inaceptable de monopolos magneticos. o bien : no hay G.U.T.s a T ~ o bien : nueva fisica? GeV INFLACION

27 La principal evidencia de la homogeneidad del Universo proviene del Fondo Cósmico de Radiación de Microondas. (la radiación mas antigua que recibimos)

28 El Fondo Cósmico de Radiación de Microondas (CMB) Cosmic Microwave Background radiation El CMB fue descubierto por A. Penzias and R.W.Wilson en 1965 en Bell Labs. Ondas de radio, mm-cm A. Penzias Cuerpo negro perfecto a T = K Fotones con redshift de la época de recombinación, z ~ 1000 R.W.Wilson El universo era (z+1) veces mas pequeño

29 Un mapa del CMB

30 COBE (COsmic Background Explorer) Variaciones de temperatura < % Tamaño angular de las manchas ~ 1º. Entre 1999 y 2001 experimentos en globo sonda (BOOMERanG, MAXIMA) mejoraron la precisión.

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32 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Primeros resultados en 2003

33 Espectro de potencia de las fluctuaciones de temperatura

34 Waerbeke Las perturbaciones que dan lugar a la formacion de estructuras dejan su huella a distintas escalas

35 Bevis, Hindmarsh, Kunz, Urrestilla (2007) Best fit power-law ΛCDM ANO strings, normalized at l=10 Allowed fraction in defects ~ 10% (strings) - 13% (global) Maximum Gµ ~ (slightly better for global defects) COURTESY J.URRESTILLA

36 THE CONCORDANCE MODEL WMAP RESULTS The Universe is 13.7 billion years old (with a margin of error close to 1%) Light in WMAP picture from 379,000 years after the Big Bang. Content of the Universe (today): 4% Atoms 22% Dark matter 74% Dark energy Expansion rate (Hubble constant) value: H o = 72 km/sec/mpc (with a margin of error of ~ 5%) New evidence for Inflation (in polarized signal)

37 INFLACION UNA EXPANSION INSTANTANEA Y BRUTAL DEL UNIVERSO..

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39 En el modelo de la Concordancia, el 96% de la Composición del Universe es desconocida (22% materia oscura, 74% energía oscura!) La energía oscura podría ser la constante cosmológica de Einstein, o deberse a un campo escalar ( quintesencia ), o ser algo totalmente distinto La inflación podría deberse a un campo escalar, el inflatón. Su descripción microscópica es desconocida

40 El Universo caliente y denso se va enfriando al expandirse. Transiciones de fase con rotura de simetría Defectos topológicos Puntos: monopolos Líneas: cuerdas cósmicas tambien supercuerdas Superficies: paredes de dominio... branas texturas Los defectos topológicos, incluso si no existen, son una herramienta muy importante a la hora de identificar el modelo microscópico correcto del Universo primitivo.

41 BRANEWORLDS materia gravedad brana Our Universo es una superficie 3+1 dimensional (brana) dentro de un espacio de 9+1 (or 10+1) dimensiones (bulk)

42 LOS MODELOS BRANEWORLDS PREDICEN NUEVOS EFECTOS -EN LA FUERZA GRAVITATORIA A CORTAS DISTANCIAS (menos de 0.1mm) -EN LA EVOLUCION DEL UNIVERSO TEMPRANO -EN LOS ACELERADORES DE PARTICULAS Y PUEDEN EXPLICAR LA INFLACION - A PARTIR DE LA INTERACCION ENTRE BRANAS SEPARADAS MOVIENDOSE EN LAS DIRECCIONES COMPACTIFICADAS CUANDO CHOCAN LAS BRANAS, SE ACABA LA INFLACION Y SE RECUPERA LA EVOLUCION NORMAL DEL UNIVERSO EN EXPANSION PERO

43 AL FINAL DE LA INFLACION SE FORMAN SUPERCUERDAS COSMICAS! HAY INFLACION MIENTRAS LAS BRANAS ESTAN SEPARADAS

44 AL FINAL DE LA INFLACION SE FORMAN SUPERCUERDAS COSMICAS! LAS BRANAS SE ANIQUILAN, LIBERAN ENERGIA Y SE ACABA LA INFLACION

45 AL FINAL DE LA INFLACION SE FORMAN SUPERCUERDAS COSMICAS! EL UNIVERSO SE EXPANDE Y SE ENFRIA

46 AL FINAL DE LA INFLACION SE FORMAN SUPERCUERDAS COSMICAS! SUPERCUERDAS COSMICAS EN NUESTRO UNIVERSO

47 CONCLUSIONES EL COSMOS ES UN GRAN ACELERADOR DE PARTICULAS, que alcanza energias enormes en sus primeros momentos. ENTENDEMOS SU EVOLUCION EN TERMINOS DE MATERIA OSCURA Y ENERGIA OSCURA (pero no sabemos lo que son). PARECE QUE HUBO UN PERIODO DE INFLACION COSMICA (pero no sabemos qué lo provocó) LOS CAMBIOS EN EL VACIO PUEDEN PRODUCIR CUERDAS COSMICAS -- FOSILES DE ESTA EPOCA PRIMORDIAL SI ES QUE EXISTEN. LA BUSQUEDA CONTINUA