MICROCOSMOS Y MACROCOSMOS: Introducción a la física de partículas y la cosmología Eusebio Sánchez División de Astrofísica de Partículas CIEMAT IES El Burgo, marzo 2017
CONTENIDO Introducción: escalas y dimensiones Microfísica: la física de partículas Macrofísica: la cosmología Lo desconocido: el universo oscuro Final
El objetivo final de la física de partículas es entender y explicar los constituyentes elementales del universo Es intentar responder a uno de los grandes interrogantes que siempre se ha hecho la humanidad: De qué están hechas las cosas? Trata del estudio de distancias y tiempos muy pequeños
La cosmología pretende explicar el origen, la evolución y el destino final del universo Intenta responder a la pregunta: De dónde venimos y a dónde vamos? Trata sobre distancias y tiempos muy grandes Excepto al principio!
?? Tierra S. Solar Galaxia Universo
Para entender un poco más las distancias enormemente grandes, podemos hacer un modelo a escala: El sistema solar a escala 1/1 billón cabe en el salón, con el Sol siendo una bombilla de 100 w ESTRELLA MÁS CERCANA: Otra bombilla a unos 40 km GALAXIA: 100 mil millones de bombillas extendidas en un disco con diámetro igual al de la órbita de la Luna, y con un grosor igual al diámetro de la Tierra (100 mil millones de granos de arroz llenan un almacén del tamaño de un catedral). LÍMITE DEL UNIVERSO VISIBLE: 1/30 de la distancia a la estrella más cercana.
MODELO DEL ÁTOMO Si el átomo fuera como un estadio de fútbol, el núcleo sería como una pelota de golf en el centro del campo. Si aumentamos un balón de fútbol hasta hacerlo del tamaño de la Tierra, un átomo tendría unos 15 mm de diámetro.
Las escalas también son enormes en el tiempo Calendario cósmico a la Carl Sagan La historia del universo comprimida en 1 año 1 BIG BANG!!! 1 Vía Láctea 9 Sistema Solar 14 Tierra 25 Vida (en La Tierra) 2 Rocas más antiguas 9 Fósiles más antiguos 1 Sexo 12 Fotosíntesis 15 Eucariotas 1 Oxígeno Dinosaurios 31 Historia humana 22:30:00 Primeros humanos,23:46:00 Control del fuego, 23:59:20 Agricultura 23:59:56 Imperio romano, 23:59:59 Colón llega a América
El espacio y el tiempo están relacionados Mirar más lejos significa también mirar antes en el tiempo: La luz viaja a velocidad finita. Vemos los objetos tal y como eran cuando la luz salió de ellos. Mirar a distancias más cortas significa también usar energías mayores: Átomos ev Núcleos MeV Protones y neutrones GeV Quarks 10-100 GeV Más allá TeV LHC, el más poderoso microscopio, produce colisiones protón-protón a 13 TeV E = hν = hc/λ 1 ev = Energía que gana un electrón en una diferencia de potencial de 1 Voltio
Lo muy pequeño : la física de partículas 10-2 m Clásica 10-9 m 10-10 m 10-14 m 10-15 m <10-19 m Química Física atómica Física nuclear Cuántica Física de partículas Partículas elementales que forman la materia: quarks (núcleo atómico) y leptones (electrón).
Física cuántica La física de lo muy pequeño es diferente y sorprendente: superposición, indeterminación, campos cuánticos, creación y destrucción de partículas Entrelazamiento: teletransporte, paradoja EPR Estructura atómica Efecto túnel Mezcla y Oscilaciones de los neutrinos
El modelo estándar La teoría física que explica la materia se llama modelo estándar. relatividad especial + mecánica cuántica Toda la materia está compuesta por 12 partículas elementales (y sus antipartículas) y sólo hay 4 fuerzas fundamentales en el universo Explica todos los experimentos que se han realizado hasta hoy. Describe las fuerzas fundamentales por el intercambio de partículas mensajeras (mediante campos cuánticos). Toda la materia que vemos a nuestro alrededor está compuesta por las partículas de la primera generación
PARTÍCULAS ELEMENTALES SEGÚN EL MODELO ESTÁNDAR
El modelo estándar: 4 fuerzas fundamentales
Cómo se miden las partículas? Con enormes ACELERADORES y DETECTORES El acelerador más grande y poderoso de la historia, es el LHC en el CERN, cerca de Ginebra. En él se hacen chocar protones a energías descomunales. Las partículas que se producen se miden en 2 detectores: CMS y ATLAS. (hay otros 2 especializados en ciertas medidas específicas, LHCb y ALICE)
El acelerador LHC, en el CERN, Ginebra
El túnel del LHC
E=mc 2 La energía de la colisión se convierte en partículas CÓMo SE MiDEN LAS PARTÍCULAS?: LHC Se hacen chocar los protones que van por el acelerador a energías enormes y se analizan todas las partículas que aparecen tras el choque. El resultado se compara con lo que predice la teoría protón protón
CÓMo SE MiDEN LAS PARTÍCULAS? El LHC es la máquina más grande construida por los seres humanos Los detectores han sido llamados alguna vez las catedrales escondidas por ser de un tamaño enorme y estar situados bajo tierra LHC es el mayor acelerador de la historia con 26.7 km de circunferencia: Parecido a la línea 6 del metro de Madrid. En el mismo túnel funcionó de 1989 a 2000 el acelerador LEP
El LHC comparado con la ciudad de Madrid
CÓMo SE MiDEN LAS PARTÍCULAS?: LHC Para construirlo se excavaron 1.4 millones de metros cúbicos de suelo, durante los 6 años que duró la construcción La longitud del túnel 26.7 km se conoce con una precisión mejor que 1 cm Está a una profundidad que varía entre 50 y 175 m La velocidad de los protones que circulan en el tubo del LHC es c-10 km/h En una carrera a la Luna, la luz ganaría a un protón del LHC por 3 m... Después de recorrer 384500 km!!! La energía total contenida en el acelerador es suficiente como para fundir 500 kg de cobre. Si se pierde un haz, puede atravesar 30 m de cobre sólido
El detector ATLAS
El detector CMS
Las catedrales escondidas Los detectores son del tamaño de un edificio de 4-7 pisos
Cómo se miden las partículas?: DETECTORES Cada tipo de partícula deja una señal diferente en el detector Con estas señales se puede reconstruir lo que ha ocurrido en la colisión
CÓMo SE MiDEN LAS PARTÍCULAS?: LHC 1 PB/s generado en los detectores 30 PB/año almacenados 500.000 cores trabajando en todo el mundo 24/7 40 millones de programas/mes 6 GB/s transmitidos de manera continua (600 TB/día) a través de la WLCG (Worldwide LHC Grid) Servidores Tier0 del CERN
Bosón de Higgs ZZ ee µµ
Bosón de Higgs γγ
Física de partículas: situación actual El modelo estándar explica la materia en términos de 12 partículas elementales (+ sus antipartículas) y 4 fuerzas fundamentales. La materia está hecha de quarks y leptones. Todas las partículas (campos cuánticos) del modelo estándar se han encontrado. La última partícula predicha por el modelo estándar se encontró en 2012 en LHC: El bosón de Higgs (premio Nobel 2013)
EL BOSÓN DE HIGGS Las partículas elementales adquieren masa por el mecanismo de Higgs (pero no toda la masa viene de este mecanismo) El universo está lleno de un campo invisible, el campo de Higgs. THE GODdamn PARTICLE
Lo muy grande: la cosmología
Cómo se observa? Potentes telescopios tanto en tierra como en el espacio En muy diferentes longitudes de onda (no solamente en luz visible) También se observan otras partículas que vienen del espacio
EL MODELO ESTÁNDAR DE LA COSMOLOGÍA: EL BIG BANG Idea fundamental: El universo empezó con una gran explosión y desde entonces se está expandiendo y enfriando Cómo es el universo actual depende de los detalles de la gran explosión, y de su contenido en energía y materia (relatividad general + principio cosmológico)
Qué tipo de explosión fue el Big Bang? MAL!: El Big Bang fue como una bomba situada en un cierto lugar de un espacio previo BIEN!: El Big Bang fue la explosión del propio espacio El espacio en el que vivimos se expande. No hay centro de la explosión, sucedió en todas partes
Los objetos del universo también se expanden? MAL!: Sí. La expansión hace que todo crezca en el universo BIEN!: No. El universo crece, pero los objetos no
Cómo sabemos todo esto?
Cómo sabemos todo esto? La radiación cósmica de fondo. El resplandor del Big Bang, que todavía es visible hoy en día La estructura a gran escala del universo. Cómo se distribuyen las galaxias en el espacio? Grandes Mapas Las lentes gravitacionales. El telescopio de Einstein, debido a la curvatura del espaciotiempo Las supernovas-1a. Explosiones de estrellas que nos indican las distancias cósmicas
LA RADIACIÓN DE FONDO DE MICROONDAS El brillo residual de la aparición de la materia tal y como la conocemos todavía se puede observar hoy Pero ya no es luz visible, porque se ha enfriado desde su origen hasta hoy Estudiando con mucha precisión este brillo residual, se puede obtener mucha información acerca del universo Procede de cuando el universo tenía 380000 años de edad. Es decir, de hace unos 13600 millones de años!! Si el universo fuera una persona de 80 años, esta radiación sería una foto de cuando tenía 13 meses!!
La radiación de fondo se estudia cada vez con mejor precisión y se obtienen cada vez mejores resultados 1992 2003 2013
LA ESTRUCTURA A GRAN ESCALA DEL UNIVERSO Las galaxias no se distribuyen de manera aleatoria en el espacio, sino que forman grandes estructuras Estudiando cómo es esa distribución se pueden entender muchos detalles sobre la evolución del universo y su composición Actualmente se tiene una imagen bastante detallada de cómo se han formado las grandes estructuras que se observan en el universo
La luz que vemos salió de esta galaxia hace 13400 millones de años, y el universo era 12.1 veces más pequeño. Está a 32000 millones de años-luz Confirmada en marzo de 2016 La galaxia más lejana conocida: GNz11
Cada punto en este gráfico es una galaxia En azul: Datos reales En rojo: Simulación según la teoría del Big Bang
LAS SUPERNOVAS TIPO 1A: CANDELAS ESTÁNDAR Estrellas que explotan y por su enorme brillo, se pueden ver a distancias cósmicas Dan información sobre la composición y la geometría del universo Todas brillan lo mismo porque son iguales Por eso son candelas estándar : Se pueden utilizar como indicadores de distancia. Si brillan menos es porque están más lejos Han producido el descubrimiento más importante de los últimos años
ANTES EJEMPLO DE SUPERNOVA DESPUÉS Supernova en la galaxia PTF11kx, medida con el telescopio Faulkes (Hawaii) La supernova está a 600 millones de años luz en la constelación del Lince
http://www.darkenergydetectives.org Cúmulo de galaxias Fornax, a 62 millones de años-luz
Un anillo de Einstein captado por el telescopio espacial Hubble Galaxia lente a 4.500 millones de años-luz y 5 trillones de soles de masa Galaxia anillo a 10.900 millones de años-luz
Efecto lente gravitacional en el cúmulo de galaxias Abell 2218, a 2.000 millones de años-luz en la constelación del dragón
LA GRAN SORPRESA: EL LADO OSCURO DEL UNIVERSO
EL LADO OSCURO DEL UNIVERSO La expansión del universo se acelera a causa de la repulsión debida a la energía oscura Tras estos descubrimientos recientes, hoy en día se cree que el universo se expandirá para siempre El futuro del universo está gobernado por la energía oscura
El origen del universo En sus primerísimos instantes el universo tuvo una fase de expansión acelerada y muy rápida: La inflación cósmica ( relacionada con el campo de Higgs y/o la energía oscura? No se sabe) Algunas ideas propuestas (todavía especulaciones): Sobre el instante cero: Creación de la nada a través de efecto túnel cuántico? Propuesta de no-frontera de Hartle y Hawking? El universo se crea a sí mismo a través de una máquina del tiempo natural cuántica? Vivimos en un multiverso? choque de branas (universo cíclico)?, inflación eterna?, el gran rebote?
Futuro de la Tierra, el Sol y la Galaxia Debido a la expansión acelerada del universo, cada vez más galaxias escaparán y dejarán de ser visibles En unos 5000 millones de años, el Sol se convertirá en una gigante roja, y posteriormente, en una enana blanca. En este proceso, la Tierra será destruida (las condiciones serán insostenibles para la vida en 1000 millones de años, al aumentar un 10% la luminosidad del Sol) En ese mismo momento la Vía Láctea, nuestra galaxia, colisionará con Andrómeda. Del choque se generará una supergalaxia elíptica, que absorberá todas las galaxias del grupo local en 10 12 años Un poco después, ya ninguna otra galaxia será visible nunca más.
Alrededor de la mitad de las galaxias de esta imagen del HUDF están más allá del horizonte de sucesos cosmológico. La luz que están emitiendo ahora nunca legará a la Tierra!
LA GRAN SORPRESA: EL LADO OSCURO DEL UNIVERSO No entendéis el poder del lado oscuro (Darth Vader, Star Wars, episodio 3) El 95% del contenido en energía del universo es de naturaleza desconocida El modelo estándar de las partículas elementales solamente describe el 5% restante La energía oscura es tan extraña que provoca una fuerza de gravedad repulsiva, y esto hace que la expansión del universo no se frene, sino que se acelere. El universo se expandirá para siempre, y cada vez más rápido
El modelo estándar dice que el campo de Higgs llena el espacio. La energía oscura llena el espacio Todo cuadra? NO!!!!! El valor predicho por el modelo estándar es 10 120 veces mayor que el que realmente se observa. El mayor problema de la física actual (y posiblemente de toda la ciencia) LA CONSTANTE COSMOLÓGICA (también llamada energía oscura)
La materia oscura y la energía oscura NO ESTÁN en el modelo estándar de las partículas elementales: es una teoría INCOMPLETA El principal problema para el futuro es entender la naturaleza del lado oscuro del universo Qué es la materia oscura? Materia que no está hecha de átomos. Hay algunas propuestas de nuevas partículas, pero no se ha conseguido producir en laboratorio Qué es la energía oscura? La energía del vacío que el modelo estándar no puede explicar
Problemas comunes a física de partículas y cosmología Por qué? COSMOLOGÍA (relatividad general) OBJETOS MASIVOS FÍSICA DE PARTÍCULAS (modelo estándar) OBJETOS PEQUEÑOS En situaciones habituales nunca hay necesidad de utilizar las dos teorías juntas. Los objetos o bien son masivos o bien son pequeños. Nunca ambas cosas a la vez. PERO El BIG BANG (el universo en sus primeros instantes) fue tanto masivo (masa completa del universo) como pequeño (puntual) Lo muy grande y lo muy pequeño están intimamente relacionados. Uno de los descubrimientos más sorprendentes y bellos de la ciencia.
Problemas comunes a física de partículas y cosmología El exitoso modelo estándar solamente describe un 5% del universo No estamos hechos de la misma materia que los cielos Volvemos a la edad media? El 95% restante del universo es desconocido Para ir más allá en la descripción del cosmos se necesita aprender nueva física
Posibles extensiones Nuevas partículas y fuerzas Supersimetría Gravedad cuántica Teoría de supercuerdas Dimensiones extra del espacio Otros universos (multiverso) Toda nueva idea es más que bienvenida!
Por qué investigamos todo esto? Curiosidad y ganas de aprender Pero la física trata sobre el mundo y por lo tanto, tiene influencia en nuestras vidas, de varias formas: Educación: Formación de personas a muy alto nivel, que pueden desempeñar muchas funciones Tecnología: Nuevos desarrollos tecnológicos con aplicaciones prácticas más allá de la ciencia Conocimiento: Nuevas visiones sobre el universo, que repercuten en la cultura
Beneficios múltiples La investigación básica produce aplicaciones prácticas: Electrónica, láser, energía nuclear Sistema GPS, wifi Aplicaciones médicas Aceleradores, radioterapia Hadroterapia, PET scanners Computación World Wide Web (WWW) Computación Grid El 30% del PIB de los EE.UU. se basa en tecnologías que usan la física cuántica La física es como el sexo: tiene aplicaciones prácticas, pero no es la razón por la que lo hacemos. Richard P. Feynman
Queremos entender el universo Demasiado ambicioso? "La especie humana siempre ha querido mirar más allá del horizonte, para ver lo que hay allí... A cada lado nuestro, el Universo tiene estructura en escalas hasta del orden de miles de billones de billones de billones de veces más grandes o más pequeñas que la nuestra. Porque este rango no es completamente infinito, hay esperanza de que un día podamos entender completamente las estructuras del Universo, desde las más pequeñas hasta las más grandes que podamos conocer...la única cosa que parece ser ilimitada es el poder de la razón." Stephen Hawking
Algo de propaganda para el que quiera saber más: Los ingredientes secretos, E. Sánchez, Ed. Cultiva Libros En Amazon, googlebooks, fnac