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Descubrimientos recientes en Fisica y Astrofisica

  • 1. Descubrimientos recientes en Física y Astrofísica Del Big Bang a la materia y energía oscuras
  • 2. Un poquito de física: la espectroscopía
  • 8. TODAS LAS GALAXIAS SE ALEJAN DE NOSOTROS... ...entonces... ...si proyectamos la película al revés... ...en algún momento todas las galaxias estarían donde nosotros estamos ahora... ¿ESTAMOS EN EL CENTRO DEL UNIVERSO? ...¡qué casualidad!, ¿no?
  • 10. Desde cualquier galaxia se ven alejarse todas las demás: el comienzo, el Big Bang, no tiene un centro, no hay un punto privilegiado en el Universo.
  • 11. Relatividad general: el espacio se expande... La interpretación de la expansión es que es el tejido del espacio la que se expande y no las galaxias las que se mueven en un espacio que es ajeno a ellas.
  • 13. La historia del Universo
  • 14. 1978: Arno A. Penzias y Robert W. Wilson por el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo. 2006: John C. Matter y George Smoot por el descubrimiento de las anisotropías de la radiación del fondo cósmico de microondas. Cuatro Premios Nobel...
  • 15. Arno Penzias y Robert Wilson con su antena en Holmdel (New Jersey). El ruido electrónico que inundaba la antena resultó ser el eco fósil del Big Bang.
  • 16. La radiación observada, en el rango de las microondas (longitud de onda del orden de milímetros) se ajusta perfectamente a la de un cuerpo negro (radiador perfecto) a una temperatura de 2,725 grados Kelvin (~ -270 ºC).
  • 17. Las anisotropías en la radiación de fondo descubiertas por COBE (~1990) y refinadas por WMAP (~2010) y Planck (2013) son los embriones o las semillas de las que, millones de años después, nacieron las primeras galaxias.
  • 18. La imagen del Universo más primitivo (380.000 años) Misión Planck, Agencia Espacial Europea (ESA)
  • 19. ¿De qué está hecho el Universo? No parece ser el caso: alguna clase de materia oscura es necesaria para explicar las curvas de rotación de las galaxias. ¿Solo de materia ordinaria, es decir, constituida por átomos y moléculas y a su vez por protones, electrones y neutrones, y a su vez por quarks?... Observada Esperada Los astrónomos atribuyen esta diferencia a la materia oscuraVelocidadderotación Distancia desde el centro de la galaxia
  • 20. Materia oscura: lentes gravitatorias
  • 21. Materia oscura: lentes gravitatorias
  • 22. ¿Y eso es todo?... En busca de una ‘candela estandar’ para estudiar el Universo lejano: las supernovas Ia
  • 23. dfactor de expansión= v/H0 dluminosidad Se observa que dluminosidad> dfactor expansión. Pero para este cálculo estamos usando el valor actual del factor de expansión, es decir, de la constante de Hubble, H0. Para solucionar esta discrepancia hemos de admitir que la expansión era más lenta en el pasado de lo que es ahora, es decir, la constante de Hubble cuando la supernova explotó era menor de lo que es ahora: Hpasado < H0, y por tanto d = v/Hpasado, haciendo ambas distancias compatibles. ¿La expansión se está acelerando?: energía oscura d conocida d desconocida
  • 24. Brian P.Schmidt Premios Nobel de Física, 2011 Saul Perlmutter Adam G. Riess
  • 25. La historia de la expansión del Universo
  • 26. EXPANSIÓN CONTINUA BIG CRUNCH EXPANSIÓN ACELERADA BIG RIP (EL GRAN ‘DESGARRÓN’)
  • 27. De acuerdo a la mejor descripción que poseemos hoy, solo conocemos la composición del ~4% del Universo... el ~96% restante está hecho de materia oscura (~23%) y “energía oscura” (~73%) cuyas composiciones y origen son completamente desconocidos... Composición del Universo Energía oscura ~73% Materia oscura ~23% “Materia normal” ~4%
  • 31. Estructura y escala del átomo
  • 32. El Modelo estándar Existe una teoría, denominada Modelo estándar que explica por qué el mundo es como es y qué es lo que lo mantiene junto. Es una teoría simple que explica los cientos de partículas que se han descubierto y sus interacciones complejas con solo: 6 quarks 6 leptones (el electrón es el más conocido) Partículas que median en las interacciones (como el fotón). Toda la materia conocida está compuesta de quarks y leptones, que interaccionan a través de las correspodientes partículas de intercambio. El Modelo estándar es una buena teoría, pero no lo explica todo: la gravedad no está incluida en él.
  • 34. El Bosón de Higgs © Daniel Whiteson, CERN (ideas) Jorge Cham (dibujos) http://www.phdcomics.com/comics.php?f=1489 http://vimeo.com/41038445
  • 35. Por suerte, tenemos un “colisionador” el Large Hadron Collider (LHC) La magia de este aparato es que podemos fabricar materia que no tenemos alrededor. Tomamos dos clases de partículas y las aniquilamos... Lo que sale no es un re-arreglo de lo que entró. Es una especie de “magia cuántica” en la que las partículas desaparecen creándose otras. Puedes creas cualquier partícula... si tienes energía para ello. Es como pedir un menú: “¿qué me puede dar por 500 GeV?” Puedes fabricar aquello que “cuesta” esa energía o menos. Por eso queremos que la energía sea la mayor posible. Cada vez que alcanzamos una energía dada, podemos explorar un régimen totalmente nuevo...
  • 36. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
  • 38. Una de las partículas predichas por la teoría es... El Bosón de Higgs El Higgs es responsable de dotar de masa a las partículas ¡Serás gordito! Cuando uno piensa que las cosas tienen “masa” parece como si estuvieran “rellenas” de algo... No hay ningún “relleno” Las partículas tienen masa, pero no volumen La masa es una característica de las partículas, como la carga Algunas tienen masa, otras no... Es una clase de carga diferente Dos cuerpos con carga eléctrica se atraen CARGA GRAVITATORIA ¿QUÉ ES LA MASA? No existe masa negativa o gravedad repulsiva La gravedad es diferente a otras fuerzas Peter Higgs (1929- )
  • 39. La teoría de Higgs se funda en esto: Imaginemos un “campo” que permea todo el Universo. Cada partícula “siente” este campo, pero de una forma distinta. Algunas partículas son “frenadas” por este campo... ...masa grande. Otras partículas casi no lo sienten... ...masa pequeña.La pregunta de “por qué las partículas tienen masa se reformula así: ¿POR QUÉ LAS PARTÍCULAS SIENTEN EL CAMPO DE HIGGS DE FORMA DIFERENTE? El bosón de Higgs es la manifestación de ese campo
  • 40. Hay muchas reacciones que pueden dar lugar a un Higgs, por ejemplo... ...fundiendo dos gluones tenemos un Higgs ...y el Higgs decae en dos quarks “bottom” El problema es que hay muchas otras maneras de fabricar dos quarks bottom... ...es una de las cosas más comunes que uno puede fabricar... El punto importante es que no podemos “mirar” dentro de estas reacciones... ...todo lo que podemos ver son los productos en los que decaen... ...pero lo que queremos saber es... ¿EXISTE EL HIGGS? Tiempo de vida:1.5610-22 s
  • 41. ¿CÓMO SE DETECTÓ EL BOSÓN DE HIGGS? Primero ocurre la colisión... Dura 0.00000000000000000000001 segundos... ...y obtienes una medida de los productos de la reacción Medimos la energía total... ENERGÍA TOTAL de la reacción COLISIONES ...contamos cuántas colisiones suceden por cada nivel de energía y construimos nuestro conjunto de datos.
  • 42. Imaginemos que tenemos 2 teorías que predicen los resultados: NO HIGGS SI HIGGS Problema: la diferencia entre ambas es MUUUUY pequeña Es MUUUUUY difícil distinguir entre los 2 con nuestros datos Necesitamos una CANTIDAD ENORME de datos Por eso el colisionador hace esto 40.000.000 de veces por segundo, todo el año... ABIERTO 24 HORAS
  • 43. Hay muchas otras maneras de “ver” el bosón de Higgs Hay grupos investigando esta... Otros grupos investigan esta... Miles de personas buscan en cada pequeño resquicio y la idea es mirar en todas direcciones al mismo tiempo Pequeñas evidencias aquí y allí se han combinado y han dado lugar a algo CONVINCENTE...