Del supercolisionador de hadrones LHC a las estrellas de neutrones

1. Del supercolisionador a las estrellas de neutrones.
LEP
y
LHC

2. El hombre siempre ha intentado conocer el entorno en que se encuentra.
Miraba los fenómenos naturales con curiosidad/miedo y cuando de noche
observaba el cielo, en aquellos tiempos, diáfano, pudo verlo como
inmutable y cíclico.
En el siglo V a. C., los griegos (Democrito) sugirieron que la materia está
compuesta de partículas elementales indivisibles. Su intención era explicar
las propiedades de la inmensa variedad de sustancias encontradas hasta
entonces con base en las de un número reducido de
materiales elementales(los cuatro elementos). La esencia de estas
sustancias, pensaban ellos, se encontraba presente aun en la cantidad más
pequeña que se pudiese obtener: los átomos (ατοµο=indivisible).

3. Los antiguos griegos también intentaron entender la naturaleza de la luz
y de la electricidad, sin sospechar su conexión con la estructura de la
materia. Discutían sobre si la luz se transmite instantáneamente de su
fuente al observador, o se transporta a una velocidad finita. En cuanto a
la electricidad, Platón, en uno de sus Diálogos, habla de "las maravillas
de la atracción del ámbar", refiriéndose a una resina amarillenta que al
ser frotada con piel atrae a objetos ligeros como el pelo (la
palabra ηλεκτρον es la voz griega que significa ámbar). Otra
fenomenología conocida desde entonces era el magnetismo, bautizada
así en honor al material que presenta esta propiedad en forma natural:
la magnetita. Por experiencia vieron que el magnetismo se podía
transmitir a otras sustancias por frotamiento y eso les hizo
considerar la posibilidad de un fluido magnetico.

4. Hasta el siglo XVIII los avances en óptica permitieron ampliar el campo
de visión e incluso ver lo invisible, hasta entonces, mediante la
fabricación de lentes e instrumentos ópticos cada vez más sofisticados.
Los hallazgos más importantes en la búsqueda de respuestas a las
interrogantes de los griegos tuvieron lugar principalmente en el
entendimiento de los fenómenos eléctricos y magnéticos por una parte,
y de la luz por la otra. En cuanto a la constitución de la materia, durante
más de dos mil años la alquimia permaneció dominada por brujos y
charlatanes, con lo que se obscureció la labor de unos pocos.
Otro paso fundamental ocurrido durante el siglo XIX fue la unificación de
los fenómenos eléctricos y magnéticos, en una descripción que acabó
de explicar la naturaleza misma de la luz .

5. Durante los últimos años del siglo XIX, el mundo de la física se vio conmovido
por una serie de descubrimientos revolucionarios que culminaron, como ya
vimos, con el del electrón por Thomson en 1897. Primero fueron los rayos X, por
Wilhelm Konrad Röntgen en 1895. En Wurzburg, Alemania, Röntgen encontró
que los rayos catódicos, al incidir sobre el vidrio del aparato que los generaba,
producían radiaciones muy penetrantes capaces de velar placas fotográficas
cubiertas y de producir fluorescencia en algunos materiales, aun cuando ante
éstos se interponían obstáculos delgados, como hojas de papel. Este
descubrimiento sirvió de motivación para ciertos estudios de Henri Becquerel, en
París, el cual estaba muy interesado en entender el fenómeno de la
fluorescencia. Por casualidad uso sales de uranio y esto le llevo al
descubrimiento de la radioactividad.

6. Rutherford demostró que los rayos X y la radiactividad tienen efectos similares
sobre los gases y encontró que hay al menos dos tipos diferentes de radiactividad
que él bautizó como alfa y beta. Los rayos beta resultaban ser casi tan
penetrantes como los rayos X, en contraste con los rayos alfa que eran detenidos
con una hoja muy delgada de aluminio. Posteriormente se descubrió otro tipo de
radiación, mucho más penetrante que las anteriores, que se denominó
rayos gamma . Estos rayos, capaces de penetrar placas gruesas de metal, son
radiación electromagnética de más alta energía que los rayos X.

7. .
Rutherford quiso
estudiar la interacción
de los rayos alfa con la
materia , con el montaje
experimental de la
imagen.

8. Rutherford le encargó a Mardsen que intentara encontrar rayos alfa a ángulos
aun más grandes que los investigados por Geiger. La sorpresa ocurrió cuando,
dos días después, Geiger le comunicó que Mardsen había
observado a dispersados hacia atrás. Según el propio Rutherford, ".... era como
disparar balas sobre un hoja de papel y ver que rebotan".
Geiger y Marsden se dedicaron a medir entonces la distribución de destellos con
más cuidado y, en 1909, publicaron sus resultados. La deflexión seguía una
función bien definida que decrecía pronunciadamente con el ángulo, pero que
indicaba que la dispersión de alfas a ángulos mayores de 90 grados era muy
superior a la que podría atribuirse a una fluctuación estadística. En 1911,
Rutherford dio una explicación a los resultados de Geiger y Marsden. Según éste,
la dispersión a grandes ángulos indicaba que, contrario a lo pensado hasta
entonces, la mayor parte de la masa del átomo, y toda su carga positiva, se
encontraba concentrada en una región muy reducida en el centro del átomo:
el núcleo.
El experimento de Rutherford nos permitió, por
primera vez, explorar el interior del átomo y descubrir
la existencia del núcleo atómico. (1911)

9. Este sencillo experimento permitió por primera “ver” la estructura del átomo. Realmente
fue el primer microscopio de una larguísima serie de microscopios que nos ha permitido
analizar la estructura del átomo y la propia estructura de las partículas “elementales”.
Louis De Broglie predijo en 1924 que los corpúsculos materiales del exterior de los
átomos, los electrones, deberían mostrar también un comportamiento ondulatorio. La
constatación experimental de la dualidad de partícula y onda de los electrones, que
llegó pocos años después, cerró el círculo de una de las propuestas más seductoras de
la física cuántica: todo lo que existe es, al mismo tiempo, onda y materia.
. Longitud de onda = h /( m* v ) Los microscopios ópticos están formados por una
fuente de luz ( fotones ), un condensador de luz,
la muestra y el sistema óptico de amplificación de
la imagen.
Si la iluminación se hace con un haz de partículas
y el amplificador de imagen es electrónico,
tendremos un nuevo tipo de microscopio, con un
poder de resolución muy elevado, dada la longitud
de onda de las partículas del haz.
El microscopio no puede ver detalles de tamaño
inferior a la longitud de onda.
El interés en conocer en detalle la estructura y
fuerzas en las partículas obligo a “iluminar” con
partículas más pesadas y cada vez más
energéticas y a sofisticar los detectores.

10. Donde λ es la longitud de onda de la luz monocromática en la que se observa el objeto y A es la apertura del microscopio.
La longitud de onda asociada a la particula decrece al aumentar la velocidad o cuando
se emplean partículas más pesadas que los fotones. Pronto aparecieron microscopios
que utilizaban electrones, protones e incluso núcleos pesados.
La dualidad onda- partícula permitió el desarrollo de dos ramas de la física, la mecánica
cuántica y mecánica ondulatoria.
Primero se utilizaron aceleradores lineales , a los que se aplicaban voltajes de millones
de voltios o bien con cavidades resonantes de microondas. Pronto los voltajes eran tan
altos que limitaron el desarrollo de esta técnica. El ciclotrón fue el primer acelerador
circular y pronto surgieron aceleradores circulares, mucho más grandes y potentes que
permitieron explorar el interior de las partículas “elementales”.
•Poder separador
De la teoría de la difracción sobre la formación de imágenes mediante un microscopio se obtiene que la distancia mínima entre
dos puntos visibles por separado es:

11. Toda partícula eléctrica emite radiación electromagnética al ser acelerada, se
denomina radiación sincrotrón y fue observada en el ciclotrón. La partícula que
sigue una trayectoria curva esta sometida a la fuerza centrifuga y entonces
emite radiación en un estrecho haz tangente a la trayectoria ( E. sincotrón).
Por revolución, la potencia perdida por una particula es: P= k * ^4ϒ / R^2
Es importante destacar que dado que = E/mϒ 0·c2
, los electrones pierden
energía 1013
veces más rápido que los protones. Esta es una de las razones
de que en el LHC corran protones, y que el posible acelerador de electrones del
futuro será un acelerador lineal.
E. aportada= E. radiada + E. utilizada en incremento de masa
El aparato acelerador tiene que suministrar a las partículas una energía igual o
superior a la perdida por efecto sincrotrón.
La dependencia de la perdida con el radio de giro es lo que ha impulsado a la
fabricación maquinas de anillos cada vez más grandes.
Es casi imposible diseñar maquinas que aceleren un protón desde 0 Mev a un
Tev. Normalmente un acelerador más pequeño es el que acelera la partícula o
el paquete de partículas hasta casi la velocidad de luz y luego este haz se
inyecta en el acelerador principal, donde su velocidad casi permanece constante
( ~c ) y la energía suministrada aumenta la masa de las partículas o se radia.

13. La física de partículas es una gran herramienta sin la que el desarrollo de la
cosmología seria imposible. En justa reciprocidad la observación de los
fenómenos cósmicos y astronómicos confirman las hipótesis adelantadas por la
física de partículas.
La ciencia actual esta soportada por multitud de pilares, que son el resto de los
campos científicos y un descubrimientos en un campo de la ciencia puede tener
enorme influencia en las teorías desarrolladas en otras áreas.
En el Renacimiento existían científicos que abarcaban la totalidad del
conocimiento, eran enciclopédicos. Debido a nuestra limitada capacidad mental,
esto es imposible en la actualidad y el desarrollo se produce por la intensa
colaboración de muchos científicos en distintas ramas de las ciencias.
Sin embargo esta ultima limitación no afecta a la inteligencia de las maquinas,
limitadas solo por su hardware. La inteligencia artificial, recientemente, ha dado un
gran paso, con sistemas que auto aprenden sin supervisión y cuando podrian
disponer de todo el conocimiento almacenado en las bases de datos, utilizando
herramientas de intercomunicación entre ellas y seleccionando la información con
técnicas de minería de datos. Producirán un avance a velocidades difícilmente
asimilables por el hombre, usando incluso una lógica propia que casi será
ininteligible para el.
Esa será su gloria y nuestro fin.
.

14. Vista de un microscopio ( LHC ) que permite analizar los procesos que ocurren a
nivel subatómico. Tiene cuatro grandes detectores, CMS, LHCb, ATLAS y ALICE
( oculares) donde se observan distintos aspectos del comportamiento de la
materia.
The Large Hadron Collider LHC

15. El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Usa
el túnel de 27 km de circunferencia ( 8.6 km de diametro) creado para el Gran
Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos
de 34 países y cientos de universidades, laboratorios y estados han participado
en su construcción.Es la maquina más compleja construida por el hombre.
Una vez enfriado hasta su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K
(menos de 2 grados por encima del cero absoluto −273,15 °C), los primeros
haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008, y el primer intento
para hacerlos circular por toda la trayectoria del colisionador se produjo el 10 de
septiembre del año 2008.Aunque las primeras colisiones a alta energía en
principio estuvieron previstas para el 21 de octubre de 2008, el experimento fue
postergado debido a una avería que produjo la fuga del helio líquido que enfría
uno de los imanes superconductores.
Preaceleradores
p y Pb
Acelerador lineal
de protones y Plomo
(no marcado) Lanzador de Protones del Sincrotrón
PS Sincrotrón de protones
SPS Supersincrotrón de protones

16. El supercolisionador sobre Sevilla
The Large Hadron Collider LHC

17. Algunos de los más importantes parámetros:
Partículas: Protóns (protón-protón colisión) y iones pesados (Pb 82+)
Circunferencia: 26.659 Km.
Gradiente del túnel: 1.4%
Diferencia entre el punto más alto y el más bajo del túnel: 122 m.
Inyector: SPS
Energía del haz inyectado: 450 GeV (protones)
Energía Nominal del haz: 7 TeV (protones)
Campo Magnético a 7 TeV: 8.33 Tesla
Temperatura de operación: 1.9 K
Número de imanes: ~9300
Número de dipolos principales: 1232
Número de cuadrupolos: 8580
Número de imanes correctores: 6208
Número de RF cavidades: 8 por haz; intensidad del campo ≈ 5 MV/m
RF frequencia: 400 MHz
Frecuencia de Revolución: 11.2455 kHz.
Consumo de Energía: ~180 MW
Nº de vueltas por segundo11245
Vida media del haz (Beam lifetime)~ 10 h
Nº de colisiones por segundo 600 millones
Ángulo total de cruce (punto de colisión)300 μrad
Potencia Radiada por haz (radiación sincrotrón)~ 6 KW

19. El detector CMS está construido alrededor de un enorme imán solenoide. Esto toma la
forma de una bobina cilíndrica de cable superconductor que genera un campo de 4
tesla, aproximadamente 100.000 veces el campo magnético de la Tierra. El campo está
confinado por un "yugo" acero que forma la mayor parte del peso 14.000 toneladas del
detector. El detector ATLAS tiene un cometido similar, pero otra tecnología.

20. .

21. .
CMS Compact Muon Solenoide

22. .
ATLAS

23. . ALICE es el acronimo de A Large Ion Collider Experiment
http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html

24. .
LHCb (que procede de las siglas "Large Hadron Collider beauty experiment",
donde "beauty" se refiere al quark bottom)
http://es.wikipedia.org/wiki/LHCb

26. La construcción del LHC fue aprobada en 1995 con un presupuesto de 2600
millones de francos suizos (alrededor de 1700 millones de euros), junto con
otros 210 millones de francos (140 millones de euros) destinados a los
experimentos. Sin embargo, este coste fue superado en la revisión de 2001
en 480 millones de francos (300 millones de euros) en el acelerador, y 50
millones de francos (30 millones de euros) más en el apartado para
experimentos.
Según datos de 2012, el coste anual en almacenamiento de datos y
ordenadores es de unos 220 millones de euros, y los gastos de electricidad,
18 millones. El presupuesto total anual del LHC es alrededor de 765 millones.
El LHC produzca entre 10 a 15 petabytes (peta=10 ^ 9 Mb) de datos por año.
Para controlar la configuración primaria para las máquinas de la red de
ordenadores del LHC se utiliza una distribución científica del
sistema Linux llamada Scientific Linux. Esta red se utiliza para recibir y
distribuir los datos a los 100 000 CPU de todo el mundo que constituyen los
niveles 1 y 2 de procesamiento.
Estas cifras alucinantes nos confirman la importancia de la física pura, en
otros países.

27. En el LHC alcanzaron una energía de 7 TeV (al chocar dos haces de 3,5 TeV cada
uno) lo que significó un nuevo récord para este tipo de ensayos. En 2012 el LHC
empezó a funcionar a 4 TeV por haz y en febrero de 2013 se paró durante 20
meses para realizar las mejoras necesarias para la operación a la energía máxima
de 7 TeV ( 14 Tev por choque) por haz; la reapertura está prevista para finales de
2018.
Este instrumento permitió confirmar la existencia de la partícula conocida
como bosón de Higgs el 4 de julio del 2012, a veces llamada “partícula de la
masa”. La observación de esta partícula es importante para explicar cómo las otras
partículas elementales adquieren propiedades como la masa y es un paso
significativo en la búsqueda de una teoría de la gran unificación, que pretende
relacionar tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, quedando fuera de
ella únicamente la gravedad y para determinar por qué la gravedad es tan débil
comparada con las otras tres fuerzas.
Junto al bosón de Higgs también podrían producirse otras nuevas partículas cuya
existencia se ha predicho teóricamente, y para las que se ha planificado su
búsqueda ,como los strangelets, los micro agujeros negros, el monopolo
magnético, materia extraña, materia oscura o las partículas supersimétricas.

28. Los físicos confían en que el LHC proporcione respuestas a las siguientes
cuestiones:
- El significado de la masa (se sabe cómo medirla pero no se sabe qué es
realmente).
- Saber el por qué tienen las partículas elementales diferentes masas (es decir,
como interactúan las partículas con un campo de Higgs).
- El 95 % de la masa del universo no está hecha de la materia ordinaria, se espera
saber qué es la materia oscura.
- La existencia o no de las partículas supersimétricas.
- Si hay dimensiones extras, tal como predicen varios modelos inspirados por
la Teoría de cuerdas, y, en caso afirmativo, por qué no se han podido percibir.
- Si hay más violaciones de simetría entre la materia y la antimateria.
- Recrear las condiciones que provocaron el Big Bang.
-Afinar el diagrama de fases de la materia nuclear.
-Detección de nuevas partículas y afinar el modelo estándar de particulas.
-Confirmar las previsiones de la nuevas teorias unificadoras.

29. En esta presentación nos centraremos en los datos recopilados en los choque de
protones y en los choques entre núcleos pesado a velocidades muy próximas a la
de la luz.
Esta información puede ir enriqueciendo el diagramas de fases de la materia
nuclear. Varias maquinas exploran el comportamiento de la materia (quarks,
gluones, electrones y luz ) a distintas densidades y energías. El diagrama está en
continua evaluación y actualización.
Los diagramas de fases son muy importantes para predecir el comportamiento de un
sistema.
Diagrama de fases del agua

30. Estados alotrópicos
Amorfo, coque,
grafito, diamante
cubico, diamante
hexagonal,
fullerenos, grafenos,
grafinos, nanotubos,
carbono metálico,
liquido y vapor.
El diagrama que
contempla las
transiciones entre
todas estas fases se
hace mucho más
complejo.
Las estrellas con un
núcleo de carbono
tienen una estructura
de fases compleja.El diamante, según Marilín, es el mejor amigo de la mujer.

31. Los físicos se dieron cuenta que si disponían de aceleradores de partículas potentes no
solo podían estudiar la estructura del núcleo sino incluso las leyes que rigen la materia,
su estructura detallada y las fuerzas con las que interaccionan. Comenzó la escalada
para disponer de aceleradores cada vez más potentes, más complejos y enormemente
caros.

32. En el LEP se hacían chocar electrones y positrones de gran energía.
electrón +positrón > energía pura > partículas + antipartículas
Los electrones y positrones no tienen estructura interna conocida, se consideran
partículas elementales y cuando chocan se convierten en energía. Dependiendo de
la energía generada, se pueden producir un plasma quarks, que se recombina
formando pares de partículas y antipartículas. Los protones son estables, el resto
de las particulas se desintegran por ser muy inestables y generaban explosiones de
fotones y nuevas particulas, nuevos pares de electrón – positrón. Es así porque los
fotones, los electrones, protones, neutrinos y sus antiparticulas son los únicos
bosones y leptones estables. Estudiando los productos intermedios generados se
descubrieron muchas nuevas partículas y se confirmaron leyes y modelos teóricos.

34. Fermilab Acelerador del Laboratorio Nacional Fermi, en
Illinois (EEUU), donde fueron descubiertos
los quarks "bottom" y "top". El acelerador de Fermilab,
llamado "Tevatron", es utilizado para acelerar protones y
antiprotones (la antipartícula del protón) en sentidos
opuestos a lo largo de un anillo de 6 km de largo.
Cuando de desarrollo la teoría Standard de Particulas,
los físicos se interesaron en estudiar choques en los
que interaccionaban quarks. Se construyeron
aceleradores, cada vez mas potentes, donde se
hacían chocar protones ( 3 quarks) contra
antriprotones ( 3 antiquarks) y protones con protones.
El estudio de estos choques, muy complejos, permitió
el estudio detallado de la fuerza fuerte, la fuerza débil
y la fuerza electromagnética. La cantidad de datos
generados en estos choques era tan ingente, que
informáticamente se seleccionaban los datos de los
choques más prometedores. La potencia de calculo es
un parámetro muy importante en estas instalaciones.

35. Para el diseño de armas nucleares, física de partículas y cosmología era cada vez
más necesario conocer el comportamiento de la materia sometida a presión y
temperaturas extremas.
Se comenzó a estudiar el choque entre protones , después con núcleos atómicos
cada vez más pesados. En el choque intervenían gran cantidad de quarks, que
debido al principio de la libertad asintótica, interaccionaban con los quarks cercanos
e incluso se generaban nuevas parejas de quarks y antiquarks. Este conjunto de
quarks, se comprobó que según las densidad y energías en juego tenia un
comportamiento como liquido, como gas, como cristal, como superfluido, como
superconductor de color, etc. La recopilación de los datos permite generar
diagramas de fases de la materia nuclear, cada vez más detallados.

36. El choque frontal centrado es poco
probable, por lo que es más frecuente
un tipo de choques es los que no
interviene la totalidad de los núcleos.
El estado QGP ( plasma de quark y gluones) ,
se compone de quarks y gluones (casi) libres que son los
componentes básicos de la materia. Se cree que existió
durante los primeros 20 a 30 microsegundos después de
que el universo naciera en el Big Bang.

37. De momento lo más interesante de este diagrama de fases, es que hay un rango de
densidad que corresponden a las estrellas de neutrones. Hay un objeto astronómico
en el que podemos aplicar el diagrama y confirmar su veracidad, las estrellas de
neutrones. La densidad de una estrella de neutrones aumenta rápidamente hacia el
centro de la estrella y por tanto en su estructura radial deben existir distintas fases.
Los modelos de simulación informática podrán ser contrastados.
La estrella de neutrones es un triturador de materia, tendrá una
estructura tipo cebolla, condicionada a las presiones y temperaturas
locales, de acuerdo al diagrama de fases de la materia nuclear.

38. El resto de las estrellas no están contempladas en este diagrama, porque su
densidad y temperaturas son demasiado bajas, incluso en su núcleo.
Si existieran las estrellas de quarks también estarían representadas en el diagrama
de fases.
También es posible que la estrella de neutrones tenga una sola fase de materia
extraña, con una pequeña costra superficial de materia normal. Esta posibilidad no
está representada en el diagrama de fases
Los agujeros negros no están representados porque esencialmente son
singularidades. La singularidad por definición no tienen tamaño.
Repasemos la estructura de la estrella de neutrones mirando al diagrama de fases.
Se ha producido la explosión de la supernova y en su centro queda un núcleo de
hierro y metales cercanos que se esta comprimiendo por efecto de su gravedad y la
la presión de la explosión. Los restos de la estrella se contraen sin que de momento
exista algo que impida su contracción, ya supero la barrera de la degeneración
electrónica y debido a su masa sigue comprimiéndose. Los electrones han
abandonado a sus átomos y pululan en libertad. El tamaño se ha reducido y el campo
magnético esta mucho más concentrado. En la parte exterior, donde hay menos
presión y temperatura hay una atmosfera de plasma de elementos ligeros.

39. En zonas mas profundas las temperaturas y las presiones aumentan
exponencialmente. Debido a la altísima temperatura se empiezan a generar rayos
gamma energéticos. La temperatura del objeto llega hasta unos tres mil millones de
grados centígrados, valor en el que los fotones que se generan llegan a ser tan
energéticos que pueden romper los núcleos pesados de hierro para formar partículas
alfa, en un proceso llamado fotodesintegración.
Fotodesintegración del hierro:
Fotodesintegración del helio:
Es una reacción de fisión muy endotérmica y en la rotura de cada núcleo de hierro
necesita una gran cantidad de energía. La E.N. se enfría. La energía interior ya no es
capaz de aguantar la presión gravitatoria de las capas externas y entonces el núcleo
central de la estrella experimenta una brusca contracción.
Conforme se produce la compresión la estrella de neutrones transforma el hierro en
una melaza de núcleos, de protones, neutrones y electrones. Hemos entrado en el
diagrama de fases.

40. La energía gravitatoria liberada durante la contracción no es empleada en
aumentar la temperatura para así combatir la presión hidrostática, como
ocurría en etapas evolutivas anteriores, sino que por el contrario se emplea
en la destrucción de los núcleos de hierro enfriando aún más el núcleo de la
estrella, y por ende contrayéndolo.
Es curioso pensar que la estrella ha estado generando energía durante millones
de años, quemando H y fabricando hierro, de pronto implota por falta de
combustible e inmediatamente explota generando una supernova que contiene
elementos mucho más pesados que el hierro. En su centro hay una estrella de
neutrones que inicialmente es de hierro y elementos cercanos a él y que
empieza a descomponer el hierro rápidamente a base de energía gravitatoria.
Todo esto en pocos minutos, hasta conseguir una estructura estable.
La supernova radia luz intensamente durante días.

41. La fotodesintegración comienza desde el centro de la estrella ( mayor temperatura y presión)
hacia el exterior de la estrella. Al final quedara una corteza exterior de hierro que no ha podido
ser transformada por falta de energía y una estructura de cebolla con distintas fases de la
materia.
Con la supernova
Con la E.N. Reparto de elementos entre la
supernova y la estrella de neutrones

42. Con la compresión, la temperatura aumenta y los electrones superan la
energía umbral que permite transformar los protones en neutrones.
Protón + electrón + 1.3 Mev. <> neutrón +neutrino
Los neutrinos abandonan la estrella y le roban energía. Estos dos procesos
ayudan a enfriar la estrella.
Para explicar el proceso de enfriamiento por emisión de neutrinos se han propuesto
modelos en que los procesos más simples de emisión son el decaimiento beta de un
neutrón n  p + e + antineutrino y la captura de un electrón por un protón p + e  n +
neutrino
Esta pareja de reacciones se conoce como el proceso Urca, y dan como resultado una
rápida desaparición de energía del interior de la estrella. Por medio de este proceso la
estrella de neutrones se enfría hasta 10^9 K en cuestión de minutos.
Los electrones entran en los núcleos y convierten los protones en neutrones.
Los núcleos atómicos con exceso de neutrones los emiten y forman una masa
compacta de neutrones llamada neutronio.
El proceso continúa hasta alcanzar la densidad de degeneración de los neutrones,
aproximadamente en torno a 10^14 g/cm³, momento en el que casi toda la masa de la
estrella se habrá transformado en neutrones. El núcleo de neutrones degenerados
deberá tener una masa inferior a unas tres masas solares, denominado límite de
Tolman-Oppenheimer-Volkoff.

43. 2SC Two Flavor Color
SuperconductivityCFL Color Flavor Locked
Si la estrella continua implosiónando por efecto de la cantidad de materia, la
densidad supera la fase de liquido hadronico y la materia pasa a transformarse
en fases más exóticas y especulativas, incluso se podría transforma en una
estrella de quarks.

44. A pesar de considerarse el quark s como un quark liviano, su masa es
aproximadamente 30 veces mayor que la masa de los quarks u y d. Esta
diferencia de masas juega un papel fundamental en el estudio de la
transición de fase entre la materia de quarks y la materia superconductora
de color . Dependiendo del valor de la masa del quark s aparecen dos fases
superconductoras que han sido bien estudiadas:
La fase 2SC Two Flavor Color Superconductivity donde se forman pares de
Copper de quarks de sabor ud y color r y v (rojo y verde)
La CFL Color Flavor Locked donde se “aparean” todos los sabores u, d, s y
los tres colores r, a, v (rojo, azul y verde) de los quarks. Desde el punto de
vista energético, la aparición de esta fase resulta más favorable que la 2SC .
La presencia de materia de quarks en fases superconductoras de color en
las ENs o EQs modifica la ecuación de estado y las características
asociadas a la estructura de dichas estrellas, como por ejemplo la relación
masa-radio. De esta forma, también podría sugerir la existencia de una
nueva familia de ENs o EQs donde la ME se encuentre en una fase
superconductora de color.
La necesidad de imponer neutralidad de carga de color y equilibrio para las
EQs teniendo en cuenta la superconductividad de color complican aún más
los cálculos teóricos para derivar las ecuaciones de estado. Existen casos
en los cuales la superconductividad podría estar acompañada por la
superfluidez bariónica o el efecto Meissner. Si la materia fuese superfluída,
se formarían vórtices en el centro de la estrella que se llevarían una parte
del momento angular de la misma. Por otro lado, debido al efecto Meissner,
el interior de la estrella podría tener tubos de flujo magnético. En ambos
casos, la evolución de la estrella se vería afectada.
La “materia extraña” tiene un quark “s” (denominado
extraño) en su composición.

45. N= núcleos de átomos

46. El diagrama anterior representa algunas de las posibilidades en la estructura de una
estrella de neutrones. Una posibilidad representada en el dibujo, es que se produzca
materia extraña en las condiciones de presión extrema del interior de la estrella de
neutrones. El quark d es substituido por el quark s (extraño). La materia extraña es
más estable que la materia ordinaria.
En 1971, A.R. Bodmer [4] propuso que la materia extraña era más
estable que el 56Fe, el más estable de todos los núcleos ordinarios.
Por lo tanto, según su hipótesis, la ME constituía el estado más
fundamental de la materia. Si esto fuese correcto, estaríamos en
presencia del estado más estable de la materia hadrónica. Para su
formación se necesitaría un ambiente rico en quarks s o la formación
de un PQG. En la Naturaleza,la presencia de núcleos atómicos
ordinarios no se contradice con la mayor estabilidad que presentaría
la ME. Esto se debe a que la conversión de un núcleo atómico en
ME, requiere que se transformen quarks u y d en quarks extraños s.
La probabilidad de que esto ocurra involucra una transición débil que
hace que los núcleos con peso atómico A < 6 sean estables
por más de 10^60 años. De manera que el único escenario de la
Naturaleza donde puede aparecer la ME queda reservado a los
nucleos de las ENs, donde la gravedad se encarga de comprimir la
materia, que llega a alcanzar densidades subnucleares y que
permanece en ese estado durante millones de
años, permitiendo así que ocurran transiciones débiles (donde
aparece el quark s) del tipo:
d <> u + e- + ºe; s <> u + e- + ºe; s + u <> d + u:

47. Peligro de strangelets: conversión catalizada
a materia extraña.
Si hay strangelets sueltos alrededor del universo,
ocasionalmente uno de ellos podría chocar con
el planeta Tierra, donde aparecería como un tipo
exótico de rayo cósmico. Esto da pie a la
pregunta de si un strangelet desde el espacio
convertiría el planeta entero en materia extraña.
Este escenario de desastre es como sigue: un
strangelet golpea un núcleo, catalizando su
conversión inmediata a materia extraña. Esto
libera energía, y manda pedazos (más
strangelets) volando en todas direcciones. Estos
se unen con otros núcleos y los convierten,
llevando a una reacción en cadena, al final de la
cual los núcleos de todos los átomos habrán sido
convertidos, y la Tierra habrá sido reducida a
una nube caliente de strangelets. Fin
Hipotesis materia extraña.
Los núcleos que vemos en la
materia que nos rodea, que son
"gotas" de materia nuclear, son
necesariamente metaestables, y
dado el tiempo suficiente (o el
estímulo externo adecuado)
decaerían en gotas de materia
extraña, los "strangelets".

48. El repaso a la evolución de una estrella de neutrones nos ha demostrado la
importancia de conocer al detalle el diagrama de fases de la materia nuclear. Hay
muchos diagramas de fases de la materia nuclear, cada uno depende de las hipótesis
de trabajo y de las ecuaciones de estado que se usen, aunque solo discrepan en
hipotéticas fases no observadas en la realidad.

49. .

50. .En la figura anterior a la derecha, se observa que la gran mayoría de las estrellas de neutrones se
presentan como pulsares, con campos magnéticos del orden de diez billones de Gauss.
Un segundo grupo bastante numeroso es el de los pulsares con períodos del orden del
“milisegundo”, que presentan campos magnéticos unas mil veces menores a los pulsares
normales. En el extremo superior derecho del diagrama, se encuentran las estrellas de neutrones
con los campos magnéticos más intensos, desde unas cien hasta mil veces mayores a los pulsares
normales. A estos objetos se los denomina “magnetares”.
Finalmente, en el diagrama también se destacan los pulsares jóvenes, asociados a los remanentes
de supernova, como Vela y Crab (el Cangrejo). La región inferior derecha del diagrama suele
denominarse “cementerio” ya que si bien no se conocen razones que impidan la existencia de
estrellas de neutrones con esos períodos y derivadas de períodos, la radiación proveniente de sus
magnetosferas más allá de la “línea de la muerte” es tan débil que difícilmente podrían ser
detectadas.

51. .
En astrofísica, el límite de Chandrasekhar es el límite de masa más allá del cual
la degeneraciónn de electroness no es capaz de contrarrestar la fuerza
de gravedad en un remanente estelar, produciéndose un colapso que origina
una estrella de neutrones o un agujero negro.
Existe también, al menos en teoría, un tercer posible resultado de este colapso,
que daría lo que se conoce como a una estrella de quarks.
Este límite equivale a aproximadamente 1,44 masas solares, y es la masa
máxima posible en una enana blanca.
Si ésta superase el límite de Chandrasekhar, se colapsaría para convertirse en
una estrella de neutrones. De forma similar, también existe un límite a la masa
que las estrellas de neutrones pueden soportar. En este caso, son los neutrones
quienes están degenerados y pueden soportar una masa del orden de 3 masas
solares. Este es el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff.
Evolución en función de la masa del residuo nuclear

52. Diagrama en función de la masa inicial

53. El estudio de las estrellas de neutrones, los pulsar, los magnetar y sus chorros de
emisión permitirá confirmar o descartar los modelos teóricos del diagrama de fases
de la materia nuclear, en zonas del diagrama de fases de la materia nuclear que por
el momento tecnológicamente no se pueden abordar.
Los avances en los modelos atómicos de fuerzas y partículas se incorporaran de
inmediato al diagramas de fases de la materia nuclear y a los modelos de evolución
de las estrellas.
De lo infinitesimal a lo infinito y viceversa
¿ Preguntas ?
Muchas gracias por su atención.
Recomiendo, encarecidamente, un repaso de la chuleta de partículas elementes y
aprender el diagrama de modelo standard de particulas..
Referencias en la red:
• Artículos de Wikipedia en castellano: Estrella_de_neutrones, Púlsar, Magnetar.

56. Búsqueda de nuevas formas de materia en el Universo, por
ejemplo núcleos de materia compuestos
de super-nucleones formados por tres
tipos de quarks (u, d, s). Este tipo de núcleos, denominados
“strangelets”, se caracterizan por tener pequeños valores del
cociente Z/A (0,1) a diferencia de lo que ocurre en los
núcleos ordinarios (Z/A ~0,5).
Algunas hipótesis apuntan a que las estrellas de neutrones
son en realidad un único gigantesco “strangelet”.

57. 4. Estrellas de neutrones
Como mencionamos anteriormente, una estrella de neutrones es el resultado de una supernova, su di´ametro es de
aproximadamente 20 km, pero su masa es casi la del sol (típicamente 1.4 M¯),lo cual implica una densidad varias veces
mayor a la de un núcleo atómico (1014 g/cm3). Es el objeto más denso en el universo, con una aceleración gravitacional
en su superficie de 1.9 y 10^11 veces la de la Tierra. Más aún, como la estrella al colapsarse conserva su momento
angular, la estrella de neutrones resultante puede girar muy rápido.
El modelo estandard del interior de una estrella de neutrones es parecido al modelo de capas del interior de la
Tierra pero con componentes muy diferentes. Si la miramos desde afuera y hacia el centro, primero encontramos
la superficie con campos magnéticos muy intensos, 10^12 gauss (el campo magnético del Sol es de 50 gauss, y el de la
Tierra es de 0.5 gauss), coexistiendo con núcleos y electrones a densidades promedio por debajo de los 10^6 g/cm3.
Después tenemos la corteza exterior, la cual es sólida, con núcleos pesados principalmente hierro,
(tales como 26Fe56, 28Ni62, 36 Kr118 ) acomodados en una red rodeada de un gas de electrones libres que se mueven
a una velocidad cercana a la de la luz; núcleos pesados y electrones coexisten en una capa esférica de alrededor de 0.3
km de ancho y una densidad que va desde 10^6 g/cm3 en el borde más externo de la capa hasta 4 y 10^11 g/cm3 en el
borde interior. En la corteza interior encontramos que los núcleos se han enriquecido tanto de neutrones que ya no
pueden captar más neutrones, proceso conocido como goteo de neutrones (“neutron drip”). Los neutrones libres forman
un fluido con la capacidad de fluir y conducir calor con resistencia casi nula, es decir, un superfluido. Mezclado con el
superfluido de neutrones y la red de núcleos existe un gas de electrones, todos en una corteza de alrededor de 0.5 km de
ancho y con una densidad que va desde 4 y 10^11g/cm3 a 2 y 10^14g/cm3. Más internamente, en una capa de alrededor
de 1.2 km de ancho en que la densidad que va desde 2 y 10^14g/cm3 hasta 5 y 10^14g/cm3, es tan alta que
energéticamente es mejor para los núcleos disolverse en neutrones y protones libres (las partículas fermiónicas pesadas
como los protones y los neutrones se llaman bariones). Allí se forma un superfluido cuántico de neutrones con
concentraciones más pequeñas de protones en estado superconductor (sin resistencia para conducir electricidad y que
expulsa el campo magnético de su interior) el cual puede sostener corrientes eléctricas y campos magnéticos por
períodos indefinidos. Más profundamente tenemos un núcleo central hadrónico (los hadrónes son partículas
acarreadoras de las interacciones fuertes, que se subdividen en mesones si tienen espín entero y bariones si su espín es
semientero) a densidades del orden de 10^15 g/cm3, es decir, 3 o 4 veces la densidad de saturación de la materia nuclear
( 2.67 y 10^14 g/cm3). Se ha sugerido que podríamos encontrar materia hiperónica (es decir, neutrones combinados con
electrones para formar bariones más pesados con la emisión de neutrinos), o condensados de kaones y piones (mesones
ligeros), o que podríamos tener una mezcla de quarks libres y materia nuclear.

58. Los quarks son partículas subnucleares cuyas combinaciones forman todas las demás partículas y tienen distintas propiedades
entre ellos. Si el núcleo central de la estrella tuviera una población
de quarks up, down y strange, sería de esperarse que los primeros dos dominaran el escenario, ya que el quark strangees
menos estable, dando como resultado una carga eléctrica positiva que atraería electrones, propiciando un núcleo tipo metálico
y opaco a la luz. Sin embargo, recientemente se ha mostrado que a densidades muy altas, el quark strange muestra más
estabilidad e iguala la población de quarksup y down. Esto crearía un núcleo eléctricamente neutro en el interior de la estrella
de neutrones, libre de electrones y transparente, donde la luz sin la posibilidad de ser absorbida por los electrones, se reflejaría
en sus límites como si fuera un diamante. No obstante todavía ninguna de las propuestas anteriores ha alcanzado consenso
alguno.

59. 5. Pulsares
Las estrellas de neutrones tienen campos magnéticos muy intensos, que
van de 10^9 a 10^12 veces el del Sol y normalmente su eje no está
alineado con el eje de rotación de la estrella, tal y como pasa con la Tierra.
El gran campo magnético en rotación de la estrella de neutrones crea un
fuerte campo eléctrico que hace que los electrones en la superficie fluyan
por los polos magnéticos. Estas partículas son aceleradas y producen una
radiación electromagnética (radiación sincrotrón)
que sale de los polos magnéticos. Al rotar la estrella los rayos de radiación
son enviados al espacio tal como si fuera un faro cuya luz podemos ver
sólo si estamos en la dirección de los rayos. Desde la Tierra podemos ver
la radiación como pulsos de la misma frecuencia de rotación de la estrella
de neutrones, motivo por lo cual estas estrellas fueron identificadas como
Pulsares.
Debemos recalcar que todos los pulsares son estrellas de neutrones, pero
no todas las estrellas de neutrones son pulsares.

60. Los períodos de un pulsar son muy regulares, con la precisi´on de relojes
atómicos. Por esto es que cuando se descubrió el primer pulsar en 1967
(Pulsar de Cambridge 1919+21) por A. Hewish y S.J. Bell, con pulsos de radio
en la frecuencia 81.5 MHz, se pensó que estos pulsos eran señales de vida
extraterrestres , sin embargo, con el descubrimiento de más y más pulsares
esta idea fue descartada.
Las estrellas más densas pulsan más rápido que las menos densas y son
suficientemente compactas como para poder rotar tan aprisa sin desbaratarse.
Algunos pulsares emiten no solo en frecuencias de radio sino que también en
la luz visible, en rayos-X, y más aún en rayos gamma. Los rayos-X y los rayos
gamma provienen de los chorros de material que fluyen hacia afuera del pulsar
a través de sus polos magnéticos e interaccionan con el plasma circundante a
distintas alturas de la superficie del pulsar. También debemos notar que la
producción de estos rayos de energía disminuyen la propia energía del pulsar,
causándole una desaceleración lenta.
Sistemas dobles con al menos un pulsar han permitido una confirmación
indirecta de la hipótesis de Einstein sobre la generación de ondas gravitatorias.

61. .

62. .