Descubrimientos recientes en Fisica y Astrofisica

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Conferencia de Benjamín Montesinos, Investigador del Centro de Astrobiología del CSIC, sobre Física y Astrofísica, celebrada el 23 de abril de 2013 en la Universidad Popular carmen de Michelena de Tres Cantos.
Más información en:
http://www.universidadpopularc3c.es/index.php/actividades/conferencias/details/758-conferencia-descubrimientos-recientes-en-fisica-y-astrofisica-del-bing-bang-a-la-materia-y-energia-oscuras

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Descubrimientos recientes en Fisica y Astrofisica

  1. 1. Descubrimientos recientesen Física y AstrofísicaDel Big Bang a la materiay energía oscuras
  2. 2. Un poquito de física: la espectroscopía
  3. 3. Una herramienta imprescindible: los espectros
  4. 4. Edwin Hubble (1889-1953)~1929
  5. 5. Unas observaciones sorprendentes...λreposoλobservadaλobservada
  6. 6. TODAS LAS GALAXIAS SE ALEJAN DE NOSOTROS......entonces......si proyectamos la película al revés......en algún momento todas las galaxias estaríandonde nosotros estamos ahora...¿ESTAMOS EN EL CENTRO DEL UNIVERSO?...¡qué casualidad!, ¿no?
  7. 7. Desde cualquier galaxia se ven alejarsetodas las demás: el comienzo, el BigBang, no tiene un centro, no hay unpunto privilegiado en el Universo.
  8. 8. Relatividad general: el espacio se expande...La interpretación de la expansión es que esel tejido del espacio la que se expande yno las galaxias las que se mueven en unespacio que es ajeno a ellas.
  9. 9. La historia del Universo
  10. 10. 1978: Arno A. Penzias y Robert W. Wilson por el descubrimiento de la radiacióncósmica de fondo.2006: John C. Matter y George Smoot por el descubrimiento de las anisotropíasde la radiación del fondo cósmico de microondas.Cuatro Premios Nobel...
  11. 11. Arno Penzias y Robert Wilson con su antena en Holmdel (New Jersey). El ruidoelectrónico que inundaba la antena resultó ser el eco fósil del Big Bang.
  12. 12. La radiación observada, en el rango de las microondas (longitud de ondadel orden de milímetros) se ajusta perfectamente a la de un cuerpo negro(radiador perfecto) a una temperatura de 2,725 grados Kelvin (~ -270 ºC).
  13. 13. Las anisotropías en la radiaciónde fondo descubiertas por COBE(~1990) y refinadas por WMAP(~2010) y Planck (2013) son losembriones o las semillas de lasque, millones de años después,nacieron las primeras galaxias.
  14. 14. La imagen del Universo más primitivo (380.000 años)Misión Planck, Agencia Espacial Europea (ESA)
  15. 15. ¿De qué está hecho el Universo?No parece ser el caso: alguna clase de materia oscura es necesariapara explicar las curvas de rotación de las galaxias.¿Solo de materia ordinaria, es decir, constituida por átomos ymoléculas y a su vez por protones, electrones y neutrones, y a suvez por quarks?...ObservadaEsperadaLos astrónomos atribuyen estadiferencia a la materia oscuraVelocidadderotaciónDistancia desde el centro de la galaxia
  16. 16. Materia oscura: lentes gravitatorias
  17. 17. Materia oscura: lentes gravitatorias
  18. 18. ¿Y eso es todo?...En busca de una ‘candela estandar’ para estudiar el Universolejano: las supernovas Ia
  19. 19. dfactor de expansión= v/H0dluminosidadSe observa que dluminosidad> dfactor expansión. Pero para este cálculo estamosusando el valor actual del factor de expansión, es decir, de la constante deHubble, H0. Para solucionar esta discrepancia hemos de admitir que laexpansión era más lenta en el pasado de lo que es ahora, es decir, laconstante de Hubble cuando la supernova explotó era menor de lo que esahora: Hpasado < H0, y por tanto d = v/Hpasado, haciendo ambas distanciascompatibles.¿La expansión se está acelerando?: energía oscurad conocidad desconocida
  20. 20. Brian P.SchmidtPremios Nobel de Física, 2011Saul Perlmutter Adam G. Riess
  21. 21. La historia de la expansión del Universo
  22. 22. EXPANSIÓN CONTINUA BIG CRUNCHEXPANSIÓN ACELERADA BIG RIP (EL GRAN ‘DESGARRÓN’)
  23. 23. De acuerdo a la mejor descripción que poseemos hoy, solo conocemos lacomposición del ~4% del Universo... el ~96% restante está hecho de materiaoscura (~23%) y “energía oscura” (~73%) cuyas composiciones y origen soncompletamente desconocidos...Composición del UniversoEnergía oscura~73%Materia oscura~23%“Materia normal”~4%
  24. 24. EL BOSÓNDE HIGGS
  25. 25. Construyendo la materia
  26. 26. Estructura y escala del átomo
  27. 27. El Modelo estándarExiste una teoría, denominada Modelo estándar que explica por qué el mundo escomo es y qué es lo que lo mantiene junto. Es una teoría simple que explica loscientos de partículas que se han descubierto y sus interacciones complejas con solo:6 quarks6 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 interaccionana 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.
  28. 28. MateriaQuarks LeptonesMesones BarionesHadronesNúcleosÁtomosMoléculas
  29. 29. El Bosón de Higgs© Daniel Whiteson, CERN (ideas)Jorge Cham (dibujos)http://www.phdcomics.com/comics.php?f=1489http://vimeo.com/41038445
  30. 30. Por suerte, tenemos un “colisionador”el Large Hadron Collider (LHC) La magia de este aparatoes que podemos fabricarmateria que no tenemos alrededor.Tomamos dos clases departículas y las aniquilamos...Lo que sale no es unre-arreglo de lo que entró.Es una especie de “magiacuántica” en la que las partículasdesaparecen creándose otras.Puedes creas cualquierpartícula... si tienes energíapara ello.Es como pedir un menú:“¿qué me puede dar por500 GeV?”Puedes fabricar aquelloque “cuesta” esa energíao menos.Por eso queremos que laenergía sea la mayor posible.Cada vez que alcanzamosuna energía dada, podemosexplorar un régimen totalmentenuevo...
  31. 31. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
  32. 32. Una de las partículaspredichas por la teoría es...El Bosónde HiggsEl Higgs es responsablede 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 tienenmasa, pero no volumenLa masa es unacaracterística de laspartículas, como la cargaAlgunas tienen masa,otras no...Es una clase de carga diferenteDos cuerpos concarga eléctricase atraenCARGAGRAVITATORIA¿QUÉ ES LA MASA?No existe masanegativa o gravedadrepulsivaLa gravedad esdiferente a otrasfuerzasPeter Higgs (1929- )
  33. 33. La teoría de Higgs se funda en esto:Imaginemos un “campo” quepermea todo el Universo.Cada partícula “siente” estecampo, pero de una formadistinta.Algunas partículas son“frenadas” por este campo......masa grande.Otras partículascasi no lo sienten......masa pequeña.La pregunta de“por qué laspartículas tienenmasa sereformula así:¿POR QUÉ LAS PARTÍCULAS SIENTEN ELCAMPO DE HIGGS DE FORMA DIFERENTE?El bosón de Higgs es la manifestación de ese campo
  34. 34. Hay muchas reacciones que pueden darlugar a un Higgs, por ejemplo......fundiendo dos gluonestenemosun Higgs...y el Higgsdecae en dosquarks “bottom”El problema es que hay muchas otrasmaneras de fabricar dos quarks bottom......es una de las cosas más comunesque uno puede fabricar...El punto importante es que no podemos“mirar” dentro de estas reacciones......todo lo que podemos ver son losproductos en los que decaen......pero lo que queremos saber es...¿EXISTE EL HIGGS?Tiempo devida:1.5610-22s
  35. 35. ¿CÓMO SE DETECTÓ EL BOSÓN DE HIGGS?Primero ocurre la colisión...Dura 0.00000000000000000000001 segundos......y obtienes una medida delos productos de la reacciónMedimos la energía total...ENERGÍA TOTALde la reacciónCOLISIONES...contamos cuántas colisiones sucedenpor cada nivel de energía y construimosnuestro conjunto de datos.
  36. 36. Imaginemos que tenemos 2 teorías que predicen los resultados:NOHIGGSSIHIGGSProblema: ladiferenciaentre ambas esMUUUUY pequeñaEs MUUUUUY difícil distinguirentre los 2 con nuestros datosNecesitamos unaCANTIDAD ENORMEde datosPor eso el colisionador haceesto 40.000.000 de vecespor segundo, todo el año...ABIERTO 24 HORAS
  37. 37. Hay muchas otras maneras de “ver” el bosón de HiggsHay grupos investigando esta... Otros grupos investiganesta...Miles de personas buscan en cada pequeñoresquicio y la idea es mirar en todasdirecciones al mismo tiempoPequeñas evidencias aquí y allí se hancombinado y han dado lugara algo CONVINCENTE...

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