Partículas elementais e a orixe do Universo

Jaime Álvarez Muñiz e Carlos Pajares Vales - Depto. Física de Partículas, USC

Ciencias para o Mundo Contemporáneo

¿De qué está feito o mundo que nos rodea?

¿Cómo se mantén unido?

Dúas preguntas fundamentais:

¿De qué está feita a materia ?

1 1/2 1/22 1/23 1/24

1/25 1/26 1/27 1/28 1/29

1/210 1/211 1/212 1/213 1/214

Se facemos esto mismo otras 70 veces !! chegaremos a conseguir UN ÁTOMO.

Collamos un trozo de materia, por exemplo…

16384 trociños

CHOCOLATE

Helio (He)

Neon (Ne)

Todos os átomos teñen un núcleo con carga positiva, e electróns con carga negativa orbitando ó seu arredor.

O átomo pódese dividir !

Evidencia de subestructura no átomo

(Rutherford 1911)

Partículas alpha (carga positiva)

Pero… ¿e o núcleo?, ¿es indivisible ?

1 Angström =10-10

m

O núcleo se pode dividir !

O núcleo atómico contén protóns de carga positiva e neutróns sen carga.

10-14

m

Pero… ¿e os protóns e neutróns?,

¿son indivisibles ?

u

d

u

u

dd

Protón

Neutrón

Pois non…os protóns e neutróns tamén se

poden dividir !

1 fermi = 10-15

m

Neutróns e protóns conteñen “quarks” up e down

Pero… ¿e os quarks?, ¿tamén se poden dividir?

<10-18

m

? Non hai evidencia experimental

Pero… ¿e os quarks?,

¿tamén se poden dividir?

u

d d

¿E os electróns?, ¿se poden dividir?

Hai evidencia experimental de que non…

QuarksNeutrónElectrón ProtónÁtomo

…hoxe sabemos que a materia está feita de átomos, os átomos están feitos de protóns, neutróns e electróns, os protóns e neutróns están feitos de quarks e éstos, a súa vez, ó igual que os electróns, pode (ou non) que estean feitos de partículas incluso MÁIS elementais...

En resumo…

NUCLEÓN ~ 10-15 mNÚCLEO ~ 10-14 mÁTOMO ~ 10-10 m QUARKS

Outra partícula elemental: o fotón

O efecto fotoeléctrico:

Un raio de “luz” pode arrancar electróns da materia porque a

“luz” está formada por partículas chamadas fotóns

Luz incidente Electróns arrancados

Einstein (1905)

Ademáis da materia existe a antimateria

+ =

1 gramo demateria

1 gramo deantimateria

Liberan una enerxía

equivalente á da explosión dunha bomba atómica

E = mc2

A antimateria prodúcese en aceleradores de partículas…

mais non hai perigo !!

Se collemos toda a antimateria producida nos aceleradores nun ano e a

desintegramos contra materia, a enerxía liberada só chegaría para quentar

unha taza de café

¿Qué mantén unida á materia?

Existen 4 forzas fundamentais na Naturaleza:

Gravitatoria

Electromagnética

Forte

Feble

As interaccións entre partículas se producen por intercambio de outras partículas elementais.

Experimentos en Física de Partículas

Dous pasos básicos

1ª Atopar unha fonte de partículas, aceleralas ata que alcancen grandes enerxías e facelas chocar entre elas ou contra un branco.

2ª Estudiar as novas partículas resultantes desas colisións en detectores e extraer conclusións acerca do interior da materia.

É como nunha radiografía…

Bombardeamos partículas (fotóns = raios X) contra un

branco (o corpo humano) e do que observamos no detector (a

radiografía) sacamos conclusións acerca do que hai

no interior…

Exemplo dun acelerador de partículas: a TV

No tubo dunha TV aceléranse electróns que ó chocar contra a pantalla da TV producen a imaxe que vemos.

! Un acelerador de partículas na miña propia casa !

Aceleradores de partículas no mundo

3.2 km

SLAC (EEUU)

O CERN (Suiza)

27 km de circunferencia !!

CERN: Centre Europeene pour la Recherche Nucleaire

100 m

LHC Large Hadron Collider (2008 - )

Colisóns protón-protón no acelerador LHC

http://cdsweb.cern.ch/record/1125472

Exemplo dun detector de partículas

Detector ALICE no acelerador LHC do CERN

A orixe do Universo

O descubrimento de HubbleNo ano 1929 o astrónomo estadounidense Edwin Hubble fixo un dos descubrimentos máis importantes do século XX

Hubble observou que as galaxias no ceo non estaban quietas, polo contrario se moven e de feito aléxanse unhas das outras !!

A expansión do UniversoAs galaxias se alexan unhas das outras porque o Universo se está expandindo a medida que o tempo pasa, e arrastra ás galaxias consigo na súa expansión.

Imaxina un globo no que pintamos puntos que representan as galaxias e o inflamos

O “Big Bang”

Big Bang

Tempo

Se vamos hacia atrás no tempo, no pasado as galaxias estiveron máis xuntas, e o Universo era máis pequeno.

Chegaríamos así a un instante no tempo no que toda a masa, a enerxía, e o espacio do Universo están concentrados nun punto de densidade enorme… a orixe do Universo, o Big Bang ou Gran Explosión.

É debido ó Big Bang que o Universo está todavía expandíndose.

O Big Bang ocorreu fai ~ 13.700 millóns de anos !!

A historia do Universo• O Big Bang é o comezo do espacio e o tempo,

antes non había nin espacio, nin sequera ten sentido falar dun “antes”…

• A temperatura é a densidade de enerxía eran enormes. A medida que se expande o Universo vaise enfriando.

A historia do Universo

A historia do Universo

• A enerxía convértese en materia en virtude da ecuación de Einstein E=mc2

• Deste xeito aparecen primeiro as partículas elementais, que despois se agruparían formando átomos, que a súa vez forman estrelas, planetas, e finalmente aparece a vida.

A historia do Universo

A historia do Universo• A vida evoluciona e aparece o ser

humano. A súa intelixencia lle leva a preguntarse pola orixe do Universo…

A orixe do Universo e a Física de Partículas

• Os físicos de partículas crean mini-Big Bangs nos aceleradores, reproducindo as condicións de extrema densidade e temperatura do Universo fai miles de millóns de anos…

http://hands-on-cern.physto.se/ani/acc_lhc_atlas/lhc_atlas.swf