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/event/758-conferencia-descubrimientos-recientes-en-fisica-y-astrofisica-del-bing-bang-a-la-materia-y-energia-oscuras

1. Descubrimientos recientes
en Física y Astrofísica
Del Big Bang a la materia
y energía oscuras

2. Un poquito de física: la espectroscopía

4. Una herramienta imprescindible: los espectros

6. Edwin Hubble (1889-1953)
~1929

7. Unas observaciones sorprendentes...
λreposo
λobservada
λobservada

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%

29. EL BOSÓN
DE HIGGS

30. Construyendo la materia

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.

33. Materia
Quarks Leptones
Mesones Bariones
Hadrones
Núcleos
Átomos
Moléculas

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...