El documento presenta una introducción a la física de partículas y la cosmología. Explica que la física de partículas estudia lo muy pequeño como quarks y leptones, mientras que la cosmología estudia lo muy grande como el origen y evolución del universo. También describe los experimentos realizados en el LHC para estudiar partículas elementales a altas energías y los telescopios utilizados para observar el universo a gran escala.

1. ESPACIO, TIEMPO Y MATERIA:
Introducción a la física de
partículas y la cosmología
Eusebio Sánchez
División de Astrofísica de Partículas
CIEMAT
IES El Burgo, diciembre 2015

2. CONTENIDO
• Introducción: Escalas y dimensiones
• Microfísica: La física de partículas
• Macrofísica: La cosmología
• Lo desconocido: El universo oscuro
• Final

3. El objetivo final de la física de partículas
es entender y explicar los constituyentes
elementales de la materia y sus
interacciones
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

4. La cosmología pretende explicar el
origen, la evolución y el destino final del
universo completo
Intenta responder a la pregunta: ¿De
dónde venimos y a dónde vamos?
Trata sobre distancias y tiempos muy
grandes…
¡Excepto al principio!

5. TAMAÑOS
RELATIVOS
Las
distancias
de las que
hablaremos
están en los
extremos
conocidos y
explorados
por los
seres
humanos

6. ??

7. .
Para entender un poco más las distancias enormemente
grandes y enormemente pequeñas de las que hablaremos:
MODELO A ESCALA 1:
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 A ESCALA 2:
SOL: Una naranja en Madrid
ESTRELLA MÁS CERCANA: Otra naranja
en París
GALAXIA: Cabría entre la Tierra y el Sol
MODELO A ESCALA 3:
El Sol y la estrella más cercana están a
2mm. Entonces, la galaxia sería del
tamaño de un campo de fútbol.

8. 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.
Casi todo el volumen
que ocupa el átomo
está vacío
 Si aumentamos un
balón de fútbol hasta
hacerlo del tamaño de
la Tierra, un átomo
tendría unos 15 mm de
diámetro.

9. Las escalas no solo son enormes en el espacio, también en el tiempo. Si
comprimimos la historia del cosmos en un año:
En el otro extremo, si ampliamos 1 segundo para durar 1 año, las
partículas inestables duran entre 1 segundo y 900 años
13:30:00
Proconsul y
Ramapithecus
22:30:00
Primeros
humanos
23:46:00
Control del
fuego
23:59:20
Invención de
la agricultura
23:59:56
Imperio
romano
23:59:59
Renacimiento

10. 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
El espacio y el tiempo están relacionados
1 eV = Energía que gana un
electrón en una diferencia de
potencial de 1 Voltio
E = hν

11. Lo muy pequeño: La física de partículas
Partículas elementales que forman la materia:
quarks (núcleo atómico) y leptones (electrón).

12. Física cuántica
La física de lo muy pequeño es diferente y sorprendente:
Superposición, Principio de indeterminación, Campos
cuánticos
Estructura atómica
Mezcla y Oscilaciones
de los neutrinos
Entrelazamiento:
teletransporte,
paradoja EPR
Efecto túnel

13. El Modelo Estándar
La teoría física que explica la
composición de la materia se llama
Modelo Estándar.
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.
Toda la materia que vemos a
nuestro alrededor está compuesta
por las partículas de la primera
generación
Relatividad Especial
+
Mecánica Cuántica

14. PARTÍCULAS ELEMENTALES SEGÚN EL MODELO ESTÁNDAR

15. El Modelo Estándar: 4 fuerzas fundamentales

16. ¿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)‫‏‬

17. El acelerador LHC, en el CERN, Ginebra

18. El túnel del LHC

21. ¿CÓMo SE MiDEN LAS PARTÍCULAS?: LHC
protón protón
E=mc2
La energía de la
colisión se convierte
en partículas
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

22. ¿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

23. El LHC comparado con la ciudad de Madrid

24. ¿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 será 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

25. ¿CÓMo SE MiDEN LAS PARTÍCULAS?: LHC

26. El detector ATLAS

27. El detector CMS

28. Las catedrales escondidas
Los detectores son del tamaño de un edificio de 4-7 pisos

29. ¿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

30. Bosón de Higgs  ZZ  ee µµ

31. Bosón de Higgs  γγ

32. Física de Partículas: Situación actual
El Modelo Estándar es la teoría que describe la
materia en términos de 12 partículas elementales (+
sus antipartículas) y 4 fuerzas fundamentales.
La materia está hecha de quarks y leptones. Si se
encuentra algo que no está hecho de ellos, es fácil
para nosotros decir que no es materia ordinaria, sino
algo más...
Todas las partículas del Modelo Estándar se han
encontrado, y tienen las propiedades predichas
La última partícula predicha por el Modelo Estándar
se encontró recientemente en el LHC: El bosón de
Higgs (premio Nobel 2013)

33. 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
EL BOSÓN DE HIGGS

34. Lo muy grande: La Cosmología

35. ¿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

36. EL MODELO ESTÁNDAR DE LA COSMOLOGÍA: EL BIG BANG
Cómo es el universo actual
depende de los detalles de la gran
explosión, y de su contenido en
energía y materia
Idea fundamental:
El Universo
empezó con una
gran explosión y
desde entonces
se está
expandiendo y
enfriando
(Relatividad General,
que en 2015 cumple
100 años + Principio
Cosmológico)

37. ¿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

38. ¡MAL!: Sí. La expansión hace que todo crezca en el
universo
¡BIEN!: No. El universo crece, pero los objetos no
¿Los objetos del universo también se expanden?

39. ¿Cómo sabemos todo esto?

40. ¿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 galaias en el espacio?
Grandes Mapas
Las supernovas 1-a.
Explosiones de estrellas que
nos indican las distancias
cósmicas
Las lentes gravitacionales. El
telescopio de Einstein, la
curvatura del espacio-tiempo

41. 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!!

43. La radiación de fondo se estudia cada vez con
mejor precisión y se obtienen cada vez mejores
resultados
1992 2003 2013

44. LA ESTRUCTURA A GRAN ESCALA DEL UNIVERSO
La materia no se distribuye
de manera uniforme a
distancias pequeñas,
solamente a distancias muy
grandes
Estudiando cómo se
distribuye 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

45. La galaxia más lejana conocida: EGSY8p7
La luz que vemos salió de esta
galaxia hace 13200 millones de
años, y era 10 veces más pequeño.
Está a 29000 millones de años-luz

46. Galaxia candidata a ser
la más lejana conocida
(no confirmada)
De cuando el universo
tenía 500 millones de
años de edad y era 12
veces más pequeño
Se ven 3 imágenes por
efecto lente. Está a
31000 millones de
años luz

47. Cada punto
en este
gráfico es
una galaxia
En azul:
Datos
reales.
En rojo:
Simulación
según la
teoría del
Big Bang

48. LAS SUPERNOVAS TIPO 1A: CANDELAS ESTÁNDAR
Estrellas que explotan y por su
enorme brillo, se pueden ver a
distancias enormes
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

49. EJEMPLO DE SUPERNOVA
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
ANTES DESPUÉS

50. http://www.darkenergydetectives.org
Cúmulo de galaxias Fornax, a 62 millones de años-luz

51. Un anillo de Einstein captado
por el telescopio espacial
Hubble
Galaxia lente a 4500 millones de años-luz y 5 trillones de soles de masa
Galaxia anillo a 10900 millones de años-luz

52. Efecto lente gravitacional en el cúmulo de galaxias Abell 2218, a
2000 millones de años-luz en la constelación del dragón

53. LA GRAN SORPRESA: EL LADO OSCURO DEL UNIVERSO

54. 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

55. El origen del universo
En sus primerísimos instantes el universo
tuvo una fase de expansión acelerada y
superlumínica: La inflación cósmica
(¿relacionada con el campo de Higgs y/o la energía
oscura? No se sabe)
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
Multiverso:
Choque de branas (universo cíclico)
Inflación eterna
El gran rebote

56. 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 1012 años
Un poco después, ya ninguna otra galaxia será visible
nunca más.

57. 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

59. El valor predicho por el Modelo Estándar es 10120
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)
El Modelo Estándar dice que el campo de Higgs
llena el espacio. La energía oscura llena el espacio
¿Todo cuadra?
¡¡¡¡NO!!!!!

60. La materia oscura y la energía oscura NO ESTÁN en el Modelo
Estándar de las partículas elementales: Es una teoría INCOMPLETA
Los problemas de la cosmología
y de la física de partículas son
comunes
¿Qué es la materia oscura? No
se sabe nada, hay algunas
propuestas que vienen de las
teorías que son extensiones del
Modelo Estándar
¿Qué es la energía oscura? Se
sabe menos aun. No hay ningún
candidato conocido salvo la
“energía del vacío”, que está en
profundo desacuerdo con el
Modelo Estándar
El principal problema para el futuro es descubrir la naturaleza
del lado oscuro del universo

61. 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.

62. 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

63. 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!

64. ¿ 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

65. 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

66. 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

67. Algo de propaganda para el que quiera saber más:
Los ingredientes secretos, E. Sánchez, Ed. Cultiva Libros
En Amazon, googlebooks, fnac