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Angel M. UrangaIFT UAM-CSIC
Residencia de EstudiantesNoviembre 2014
Preguntas abiertasde la Física Fundamental
Angel M. UrangaIFT UAM-CSIC
Residencia de EstudiantesNoviembre 2014
Preguntas abiertasde la Física FundamentalLa Física Fundamental
en 7 preguntas
¿Cómo es el Universo?
Curiosidad innata del ser humano
¿Es eterno? ¿Tuvo principio? ¿Tendrá fin?¿Cuáles son las leyes fundamentales del Universo?
¿...?
Progreso lleva a más preguntas a niveles más profundos
Preguntas fundamentales
Física Fundamental
¿De qué esta hecha la materia?
¿Cómo es el Universo?
Curiosidad innata del ser humano
No motivada por aplicaciones prácticas directas
¿Es eterno? ¿Tuvo principio? ¿Tendrá fin?
Aunque muchas aplicaciones derivadas...
¿Cuáles son las leyes fundamentales del Universo?
¿...?
Progreso lleva a más preguntas a niveles más profundos
Preguntas fundamentales
Física Fundamental
¿De qué esta hecha la materia?
Preguntas fundamentales
Física Fundamental
Preguntas fundamentales
Física Fundamental
Lo infinitamente pequeño... Física de Partículas
Lo infinitamente grande... Cosmología
Preguntas fundamentales
Física Fundamental
Preguntas fundamentales
Física Fundamental
Modelo Estándar de Partículas Elementales
Modelo Estándar de Cosmología
Aceleradores y detectores
Microscopios Telescopios ópticos y radiotelescopios
Binoculares
La astrofísica y la cosmología estudian la materia en sus dimensiones más grandes
La física de partículas estudia la materia en sus dimensiones más diminutas
Lo infinitamente pequeño: Física de Partículas
Modelo Estándar de Partículas Elementales
Partículas de Materiaquarks y leptones
Modelo Estándar de Partículas Elementales
Partículas de Materiaquarks y leptones
Modelo Estándar de Partículas Elementales
!µ
µ
c
s
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e
u
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"
t
b
Partículas de Interacciónfotón, Z, W, gluones
gravitón(?)
Partículas de Materiaquarks y leptones
Modelo Estándar de Partículas Elementales
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b
Partículas de Interacciónfotón, Z, W, gluones
gravitón(?)
Partículas de Materiaquarks y leptones
Modelo Estándar de Partículas Elementales
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c
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eW
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!Z
! !
e e
!
e e
e e
zz
Modelo Estándar de Partículas Elementales
Una proeza del intelecto humanoDescribe la materia y fuerzas conocidas,
con un rango de validez de 20 órdenes de magnitudy con una precisión asombrosa
El campo de Higgs
Ejemplo: campo gravitatorio
Campo: magnitud definida en cualquier punto del espacio (y del tiempo)
El campo de Higgs
Ejemplo: campo gravitatorio
Campo de Higgs:Similar, con la diferencia de que no tiene una dirección (campo escalar)
Campo: magnitud definida en cualquier punto del espacio (y del tiempo)
Minimiza su energía para un valor no nulo en el vacío (ruptura espontánea de la simetría)
El campo de Higgs
Ejemplo: campo gravitatorio
Campo: magnitud definida en cualquier punto del espacio (y del tiempo)
Campo de Higgs:Similar, con la diferencia de que no tiene una dirección (campo escalar)
Minimiza su energía para un valor no nulo en el vacío (ruptura espontánea de la simetría)
El campo de Higgs
Ejemplo: campo gravitatorio
Campo: magnitud definida en cualquier punto del espacio (y del tiempo)
Bosón de Higgs: Partícula (“cuanto”) asociada al campo de Higgs
La masa de las partículas elementales es la manifestación de sus interacciones con el campo de Higgs
Campo de Higgs:Similar, con la diferencia de que no tiene una dirección (campo escalar)
El campo de Higgs
La masa de las partículas elementales es la manifestación de sus interacciones con el campo de Higgs
W,Z
fotón
Bosón de Higgs: Partícula (“cuanto”) asociada al campo de Higgs
El campo de Higgs
La masa de las partículas elementales es la manifestación de sus interacciones con el campo de Higgs
W,Z
fotón
Bosón de Higgs: Partícula (“cuanto”) asociada al campo de Higgs
El campo de Higgs
La masa de las partículas elementales es la manifestación de sus interacciones con el campo de Higgs
W,Z
fotón
Bosón de Higgs: Partícula (“cuanto”) asociada al campo de Higgs
Campo de Higgs y bosón de Higgs
Masa (inercia) de las partículas: interacción con el vacíoEl campo de Higgs es un campo escalar que permea el vacío
La partícula de Higgs es una fluctuación del campo de Higgs
¡Descubierto en el LHC en CERN en 2012!
Mecanismo de Higgs¿Cómo adquieren masa las partículas? El campo de Higgs (y cia!)
Mecanismo de Brout-Englert y Higgs, partícula de Higgs
R. Brout (†2011)P. Higgs
Nobel de Física 2013(tras el descubrimiento
en el CERN)
F. Englert
Lo infinitamente grande: Cosmología,
la Historia del Universo
¿Cómo es el Universo?
La interacción gravitatoria se manifiesta en el comportamiento de objetos muy masivosPlanetas, galaxias o.... el Universo entero
Teoría de la Relatividad General de Einstein: La gravedad se interpreta como una deformación del espacio-tiempo
¿Cómo es el Universo?
La interacción gravitatoria se manifiesta en el comportamiento de objetos muy masivosPlanetas, galaxias o.... el Universo entero
¡El espacio entre galaxias se expande!
El Universo es dinámico, se expande
¿Cómo es el Universo?
¡El espacio entre galaxias se expande!
El Universo es dinámico, se expande
¿Cómo es el Universo?
Principio del Universo hace aprox.13.000.000.000 años: Big Bang, Explosión primigenia en la que está concentrado todo el Universo conocido
al
Fluctuaciones de densidad (¿inflación?)
Recombinación p+e-> H
Fotones:Propagación libre
Materia:Colapso gravitatorio
Estrellas, galaxias, cúmulos Fondo de radiación
observable
Abundancias de núcleos ligeros
Predicciones del Modelo del Big Bang
Nucleosíntesis
EL UNIVERSO EN EXPANSIÓN
“Big Bang” Hipotético inicio del Universo. El espacio y el tiempo son creados, quizás a partir de una “fluctuación cuántica” de la gravedad. Las teorías de las que disponemos no son capaces de describir este instante correctamente. Esto es en parte debido a que no se ha desarrollado una teoría cuántica consistente de la gravedad.
LHC
Teorías de Gran Unificación
El éxito de la unificación de las interacciones débil y electromagnética en el “Modelo Estándar”, nos invita a pensar que, a temperaturas muy altas, existe una teoría que describe todas las interacciones de manera unificada (salvo la gravedad). Cuando la temperatura descendió por debajo de 1029K (si es que el Universo alguna vez alcanzó estas elevadas temperaturas), la interacción fuerte se habría desligado de la interacción electródébil. Éstas habrían estado unificadas sólo durante los primeros 10-38 segundos después del “Big Bang”.
Inflación cósmica Tras su creación el Universo comienza a expandirse. Durante esta hipotética primera etapa, la expansión es exponencial (acelerada). Esta rapidísima expansión explicaría por qué el Universo que observamos es homogéneo e isótropo. Además, genera las “perturbaciones” que luego darán lugar a la formación de galaxias. Al final del proceso de inflación el Universo atraviesa una etapa de “recalentamiento”, durante la cual se crea toda la materia del Universo, en forma de partículas elementales y radiación. Actualmente se trabaja de manera muy activa para entender los detalles de este proceso.
Nucleosíntesis
Entre 1 y 300 segundos después del “Big Bang” el Universo se enfría lo suficiente como para permitir la formación de núcleos ligeros a partir de los protones y neutrones. Las abundancias que la teoría del “Big Bang” precide para estos núcleos, coinciden muy bien con las observadas.
Recombinación
Los electrones y los protones se combinan para formar átomos de hidrógeno neutro. Asimismo, aunque en mucha menor cantidad, los electrones se combinaron con núcleos de Helio.
Ruptura electrodébil
Tan sólo durante la primera diez mil millonésima parte de segundo, se cree que las interacciones electromagnética y débil estuvieron unificadas. Cuando la temperatura disminuyó por debajo de 1015K estas interacciones se desl igaron. Técnicamente, esto se conoce como “ruptura electrodébil” y sus detalles serán explorados en futuros aceleradores de partículas (como el LHC).
Formación de protones y neutrones
El Universo se sigue enfriando y alcanza una temperatura por debajo de la cual los quarks no pueden existir como partículas libres. Se agrupan entonces en forma de bariones (formados por tres quarks, tales como protones y neutrones) y mesones (compuestos por un quark y un anti-quark).
Formación de galaxias y estrellas
Finalmente, las galaxias se forman y, en el interior de las mismas, la materia se condensa en forma de estrellas. Alrededor de una de estas estrellas, en una galaxia espiral que hoy conocemos como la “Via Láctea”, se formó nuestro planeta, la Tierra.
Formación de estructuras
A p a r t i r d e l a s p e q u e ñ a s inhomogeneidades presentes en el plasma de partículas, la materia empieza a agruparse por efectos gravitacionales, dando l ugar a la formac ión de estructuras a gran escala. El estudio de esta época se suele llevar a cabo mediante simulaciones numéricas en superordenadores.
q
q
q
qqq
?
?
?
?
Z
Z
W- W+
W+ W- ZW-
q
q
qqq
qqq
qqq
qqq
qqq
qqq
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q
3He 4He 4He 3He
7Li
4He 3He
3He
7Li
D D D
D
μμ
μ
μ
μ
!
!
!!
100 segundos 1010 K
13.800.000.000 años 3 K
Tiempo transcurrido desde el Big Bang Temperatura
1.00
0.00
0.00
0 añ
os
100 K
105 K
104 K 380.000 años
100.000 años
Desacoplo de la luz
400.000 años después del “Big Bang”, los fotones dejaron de interaccionar con el resto de partículas. Esta radiación electromagnética sobrevive hasta nuestros días y ha sido observada como un “Fondo de Microondas”. Esto es una espectacular confirmación de la teoría del “Big Bang”.
El Universo actual
El Universo en el que vivimos tiene aproximadamente catorce mil millones de años. Es el resultado de la expansión a partir de un estado inicial en el que la temperatura y la densidad eran extremadamente elevadas. Durante su evolución, el Universo fue atravesando diversas etapas a medida que su temperatura y densidad disminuían. ¡Aún desconocemos la naturaleza de los ingredientes principales del Universo! Por medio de observaciones astronómicas y del estudio del “Fondo de Radiación de Microondas” sabemos que el Universo actual está formado en su mayor parte por unas desconocidas “Energía Oscura” (68.5%) y “Materia Oscura” (26.6%). La materia que conocemos, formada por protones y neutrones, sólo constituye el 4% del total. La identificación de estas componentes es uno de los problemas fundamentales de la Cosmología y Física de Partículas.
Bariogénesis A toda partícula le corresponde una antipartícula. Sin embargo, sólo observamos partículas en el Universo. Por lo tanto, en algún momento de la evolución cósmica (entre el final de Inflación y el comienzo de Nucleosíntesis) hubo de generarse un exceso de partículas frente a antipartículas. Actualmente se investiga el mecanismo responsable de esta “Bariogénesis” (génesis de bariones).
q q q
1013 K 10-6 segundos
10-10
segundos 1015 K
?
10-38
segundos
1029 K
www.ift.uam-csic.es
“Foto del Universo” por el satélite Planck
Fondo de radiación de microondas
Extremadamente homogéneo, fluctuaciones de una parte en 100.000
Modelo Estándar de Cosmología
Una proeza del intelecto humanoDescribe la estructura y evolución del Universo conocido en escalas de espacio y tiempo que abarcan 10 órdenes de magnitudIntrincada mezcla de lo infinitamente grande y lo infinitamente pequeño
(ΛCDM, “concordance model”)
Modelo Estándar de Cosmología
Una proeza del intelecto humanoDescribe la estructura y evolución del Universo conocido en escalas de espacio y tiempo que abarcan 10 órdenes de magnitudIntrincada mezcla de lo infinitamente grande y lo infinitamente pequeño
(ΛCDM, “concordance model”)
¿El final de la Física?
¿El final de la Física?
¿El final de la Física?
No tan rápido...
“El final de la Física” en los albores del s. XX
“En Física, sólo queda completar la sexta cifra decimal”(All that remains to do in physics is to fill in the sixth decimal place)
A. Michelson, 1894
There is nothing new to be discovered in physics now, All that remains is more and more precise measurement.
“Ya no queda nada por descubrir en Física. Sólo queda aumentar más y más la precisión de las medidas experimentales”
Lord Kelvin, 1900, en su discurso a la Asociación Británica para el Desarrollo Científico:
“El final de la Física” en los albores del s. XX
Pero ya Lord Kelvin mencionó dos inquietantes nubes en el horizonte de la Física:
“En Física, sólo queda completar la sexta cifra decimal”(All that remains to do in physics is to fill in the sixth decimal place)
A. Michelson, 1894
There is nothing new to be discovered in physics now, All that remains is more and more precise measurement.
“Ya no queda nada por descubrir en Física. Sólo queda aumentar más y más la precisión de las medidas experimentales”
Lord Kelvin, 1900, en su discurso a la Asociación Británica para el Desarrollo Científico:
- El experimento de Michelson-Morley
- La radiación de cuerpo negro
Las dos nubes desencadenaron dos auténticos chaparrones de Física en el s. XX
“El final de la Física” en los albores del s. XX
Las dos nubes desencadenaron dos auténticos chaparrones de Física en el s. XX
- La radiación de cuerpo negro ⇒ Mecánica Cuántica
“El final de la Física” en los albores del s. XX
- El experimento de Michelson-Morley ⇒ Teoría de la Relatividad
Las dos nubes desencadenaron dos auténticos chaparrones de Física en el s. XX
- La radiación de cuerpo negro ⇒ Mecánica Cuántica
“El final de la Física” en los albores del s. XX
CamposPartículasElectromagnético
Relatividad especial
Mecánica CuánticaOnda / partícula
Fermiones / Bosones
Dirac Antimateria
Bosones W
QED
Maxwell
Higgs
Supercuerdas?
Universo
NewtonMecánica Clásica,Teoría Cinética,Thermodinámica
MovimientoBrowniano
Relatividad General
Nucleosíntesis cosmológica
Inflación
Átomo
Núcleo
e-
p+
n
Zoo de partículas
u
µ -
!
"e
"µ
""
d s
c
"-
"-
b
t
Galaxias ; Universo en expansión; modelo del
Big Bang
Fusión nuclear
Fondo de radiación de microondas
Masas de neutrinos
ColorQCD
Energía oscura
Materia oscura
W Z
g
Fotón
Débil Fuerte
e+
p-
Desintegración beta Mesones de
Yukawa
Boltzmann
Radio-actividad
Tecnología
Geiger
Cámara de niebla
Cámara de burbujase
Ciclotrón
Detectores Aceleradores
Rayos cósmicos
Sincrotrón
Aceleradores e+e
Aceleradoresp+p-
Enfriamiento de haces
Cámara de hilos
Ordenadores online
WWW
GRID
Detectores modernos
Violación de P, C, CP
MODELo ESTÁNDAR
Unificación electrodébil
3 familiasInhomgeneidades del fondo de microondas
1895
1905
Supersimetría?
Gran unificaci’on?
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010Bosón de Higgs ¿Modos B primordiales?
LHC
@George RR Martin, theMountainGoat, Tear
Juego de Tronos
Preguntas abiertas: el Mapa
7 preguntas de la Física Fundamental
@George RR Martin, theMountainGoat, Tear
Juego de Tronos
Preguntas abiertas: el Mapa
7 preguntas de la Física FundamentalFamilias
EscalasOscuridad
VacíoOrigen
MultiplicidadUnidad
La madre de dragones
Los otros
@George RR Martin, theMountainGoat, Tear
Juego de Tronos
Preguntas abiertas: el Mapa
7 preguntas de la Física FundamentalFamilias
EscalasOscuridad
VacíoOrigen
MultiplicidadUnidad
La madre de dragones
Los otros
Familias y SaborProbl. JerarquíaUniverso OscuroConst.cosmológicaInflación cósmica
MultiversoUnificación
Gravedad Cuántica y
Teoría de Cuerdas
La elección y clasificación en 7 preguntas es subjetivay la analogía con mundos de fantasía es arbitraria...
La elección y clasificación en 7 preguntas es subjetivay la analogía con mundos de fantasía es arbitraria...
@Werangutan Ltd
Familias: El problema del saborCasa Lannister
Sobredosis de familias: ¿Quién ha encargado eso?Masas y ángulos de mezcla
!e
e
u
d
1a familia
!µ
µ
c
s
2a familia
!"
"
t
b
3a familia
“¿Quién ha encargado eso?”
¿por qué 3 familias?
¿por qué 3 familias?
No hay ninguna explicación satisfactoria de las 3 familias
¿por qué 3 familias?
3 familias: permite asimetría entre partículas y antipartículas violación de simetría CP¿Solución a la asimetría materia-antimateria en el Universo?No, realmente no es suficiente (pregunta abierta extra:)
¿Y si ..?
No hay ninguna explicación satisfactoria de las 3 familias
¿por qué 3 familias?
3 familias: permite asimetría entre partículas y antipartículas violación de simetría CP¿Solución a la asimetría materia-antimateria en el Universo?No, realmente no es suficiente (pregunta abierta extra:)
¿Y si ..?
No hay ninguna explicación satisfactoria de las 3 familias
¿por qué 3 familias?
3 familias: permite asimetría entre partículas y antipartículas violación de simetría CP¿Solución a la asimetría materia-antimateria en el Universo?No, realmente no es suficiente (pregunta abierta extra:)
¿Y si ..?
No hay ninguna explicación satisfactoria de las 3 familias
En teoría de cuerdas (ver más adelante), sí se entiende que es “normal” tener varias familias,
¿por qué 3 familias?
3 familias: permite asimetría entre partículas y antipartículas violación de simetría CP¿Solución a la asimetría materia-antimateria en el Universo?No, realmente no es suficiente (pregunta abierta extra:)
¿Y si ..?
No hay ninguna explicación satisfactoria de las 3 familias
En teoría de cuerdas (ver más adelante), sí se entiende que es “normal” tener varias familias,
aunque todavía no explica por qué hay 3
¿por qué esas masas?
100 GeV
1 GeV
1 MeV
0.01 eV
1 TeV
mtop = 172 GeV
melectron = 0.00056 GeV
mHiggs = 126 GeV
La masa de las partículas elementales está protegida por simetrías(prohíben la aparición de masa incluso a nivel cuántico)
Simetría
La masa de las partículas elementales está protegida por simetrías(prohíben la aparición de masa incluso a nivel cuántico)
Simetría
La masa de las partículas elementales está protegida por simetrías(prohíben la aparición de masa incluso a nivel cuántico)
Simetría
La masa de las partículas elementales está protegida por simetrías(prohíben la aparición de masa incluso a nivel cuántico)
- El top, Z, W, masa similar al Higgs
- ¿Por qué p.ej. el electrón es tan ligero?(los neutrinos, más especiales todavía, pregunta extra:)
Las masas aparecen en la ruptura espontánea de la simetría(controladas por la escala de la masa de Higgs)
m = λv
- Y ya puestos...
Simetría
La masa de las partículas elementales está protegida por simetrías(prohíben la aparición de masa incluso a nivel cuántico)
- El top, Z, W, masa similar al Higgs
- ¿Por qué p.ej. el electrón es tan ligero?(los neutrinos, más especiales todavía, pregunta extra:)
Las masas aparecen en la ruptura espontánea de la simetría(controladas por la escala de la masa de Higgs)
m = λv
- Y ya puestos... ¿quién fija el valor del campo de Higgs?
Simetría
Escalas: Problema de la jerarquía
Valle de Arryn
escala electrodébil y de Planck
escalaelectrodébil
(Higgs)
100 GeV 1018 GeV
escalade Planck(gravedad)
? ?
escala electrodébil y de Planck
escalaelectrodébil
(Higgs)
100 GeV 1018 GeV
escalade Planck(gravedad)
? ?
¿Por qué tal enorme separación de escalas de masa?
¿Es posible mantener esa separación dentro de la teoría?
escala electrodébil y de Planck
escalaelectrodébil
(Higgs)
100 GeV 1018 GeV
escalade Planck(gravedad)
? ?
escala electrodébil y de Planck
La escala electrodébil depende directamente de la masa del bosón de Higgsvalor del campo de Higgs, masas de todas las partículas
escala electrodébil y de Planck
La escala electrodébil depende directamente de la masa del bosón de Higgsvalor del campo de Higgs, masas de todas las partículas
La masa del bosón de Higgs es inestable bajo efectos cuánticos
H H
Partículasvirtuales
Ejemplo: Radio del átomo de Hidrógeno
e , me , � Cálculo completo en M.C.
Estimación magnitud
Radio � �2me e2
Radio =3
2
�2me e2
= 5× 10−9cm
En Física normalmente no hay ‘ajustes finos´
“Fine tuning”
Ejemplo: Radio del átomo de Hidrógeno
e , me , � Cálculo completo en M.C.
Estimación magnitud
Radio � �2me e2
Radio =3
2
�2me e2
= 5× 10−9cm
En Física normalmente no hay ‘ajustes finos´
Masa del Higgs MHiggs ≈ MP ≈ 1018 GeV
“Fine tuning”
Ejemplo: Radio del átomo de Hidrógeno
e , me , � Cálculo completo en M.C.
Estimación magnitud
Radio � �2me e2
Radio =3
2
�2me e2
= 5× 10−9cm
En Física normalmente no hay ‘ajustes finos´
Masa del Higgs MHiggs ≈ MP ≈ 1018 GeV
¡¡ Pero experimentalmente 126 GeV !!Fine tuning!
“Fine tuning”
Ejemplo: Radio del átomo de Hidrógeno
e , me , � Cálculo completo en M.C.
Estimación magnitud
Radio � �2me e2
Radio =3
2
�2me e2
= 5× 10−9cm
En Física normalmente no hay ‘ajustes finos´
Masa del Higgs MHiggs ≈ MP ≈ 1018 GeV
¡¡ Pero experimentalmente 126 GeV !!Fine tuning!
“Fine tuning”
Supersimetría
Elegante propuesta de solución a la jerarquíaAún no comprobada experimentalmente...
Posible explicación de la materia oscura en el Universo(ver más adelante)
Si estas partículas existen, serán muy pesadas Pero al alcance del LHC (ATLAS, CMS) Cota experimental M >1000 GeV
Spin 1/2 Spin 0,1
leptón sleptón
quark squark
Wino W/Z
fotino fotón
gluino gluón
Cada partícula del SM tendría una partícula compañera asociada, con la misma carga, pero spin distinto y masa mucho mayor
Abdus Salam
‘’No hay que economizar en el número de partículas.
En lo que hay que ser económico es en el número de Principios
Físicos’’
Supersimetría
Supersimetría
La supersimetría estabiliza la masa del Higgs
H H
Partículasvirtuales
Supersimetría
La supersimetría estabiliza la masa del Higgs
H H
Partículasvirtuales ≈ 0
H H
super-partículasvirtuales
+
Supersimetría
La supersimetría estabiliza la masa del Higgs
La masa del bosón de Higgs es estable bajo efectos cuánticos
H H
Partículasvirtuales ≈ 0
H H
super-partículasvirtuales
+
MHiggs << MP ≈ 1018 GeV
Supersimetría
La supersimetría estabiliza la masa del Higgs
La masa del bosón de Higgs es estable bajo efectos cuánticos
H H
Partículasvirtuales ≈ 0
H H
super-partículasvirtuales
+
MHiggs << MP ≈ 1018 GeV
Desierto e inestabilidad
escalaelectrodébil
(Higgs)
100 GeV 1018 GeV
escalade Planck(gravedad)
? ?
Si no hay nueva Física, sino un “desierto”
entre las dos escalas...
Desierto e inestabilidad
escalaelectrodébil
(Higgs)
100 GeV 1018 GeV
escalade Planck(gravedad)
? ?
Si no hay nueva Física, sino un “desierto”
entre las dos escalas...
... un Higgs de 126 GeV desarrolla un mínimo de energía a valores enormes del campo
¡Inestabilidaddel vacío!
(aparición, con muy baja probabilidad, de burbujas
del nuevo mínimo)
Desierto e inestabilidad
escalaelectrodébil
(Higgs)
100 GeV 1018 GeV
escalade Planck(gravedad)
? ?
Si no hay nueva Física, sino un “desierto”
entre las dos escalas...
... un Higgs de 126 GeV desarrolla un mínimo de energía a valores enormes del campo
¡Inestabilidaddel vacío!
(aparición, con muy baja probabilidad, de burbujas
del nuevo mínimo)
Rocadragón
Oscuridad: Materia Oscura y Energía Oscura
Composición del Universo
¡El 95% del contenido del Universo es un misterio!
Energía del vacío, NO de partículasGenera una expansión acelerada del Universo
- Materia bariónica, aprox. 5%Materia conocida, átomos, etc
- Materia oscura, aprox. 25%Materia que no emite luzSe detecta su efecto gravitatorioPosiblemente partículas neutras muy pesadas
- Energía oscura, aprox. 70%
Composición del Universo
Un Universo muy oscuro…
¡El 95% del contenido del Universo es un misterio!
Un Universo muy oscuro…
Materia oscura
º
Materia oscura
º
Materia oscura
axion, en CP fuerte(pregunta abierta:)
WIMPp.ej. neutralino
en supersimetría
Candidatos
Existen en muchas teorías que solucionan
otros problemas
axion, en CP fuerte(pregunta abierta:)
WIMPp.ej. neutralino
en supersimetría
Candidatos
Existen en muchas teorías que solucionan
otros problemas
axion, en CP fuerte(pregunta abierta:)WIMP
p.ej. neutralinoen supersimetría
Candidatos
Existen en muchas teorías que solucionan
otros problemas
axion, en CP fuerte(pregunta abierta:)WIMP
p.ej. neutralinoen supersimetría
Candidatos
Existen en muchas teorías que solucionan
otros problemas
- El Universo se encuentra en expansión acelerada
- Componente de densidad de energía con repulsión gravitacional: Energía oscura
- De naturaleza desconocida: La posibilidad más sencilla es una energía del vacío (constante cosmológica), ver más adelante
Energía Oscura
- El Universo se encuentra en expansión acelerada
- Componente de densidad de energía con repulsión gravitacional: Energía oscura
- De naturaleza desconocida: La posibilidad más sencilla es una energía del vacío (constante cosmológica), ver más adelante
Energía Oscura
- Diversos experimentos intentan detectar sus propiedades (ecuación de estado etc)Dark Energy Survey (DES), ...
Destino final
Big Freezeenergía oscura constante
Big Crunchsi la energía oscura desaparece
Big Ripsi la energía oscura aumenta
THE BIG FREEZEConstant dark energy
keeps constantly accelerated expansion
La energía oscura determina la evolución futura del Universo
Destino final
Big Freezeenergía oscura constante
Big Crunchsi la energía oscura desaparece
Big Ripsi la energía oscura aumenta
THE BIG FREEZEConstant dark energy
keeps constantly accelerated expansion
La energía oscura determina la evolución futura del Universo
Invernalia
Vacío: Energía Oscura y Const. Cosmológica
Expansión del factor de escala a(t)
Determinada por la densidad "!" y el factor de curvatura espacial “K”
Constante Cosmológica
Expansión del factor de escala a(t)
Determinada por la densidad "!" y el factor de curvatura espacial “K”
Constante cosmológica
Interpretación: - Densidad de energía del vacío- Constante en el espacio y el tiempo - Genera una repulsión que se opone a la atracción gravitacional
Constante Cosmológica
La constante cosmológica es inestable frente a correcciones cuánticas
Su escala natural sería Mp4 ∼ (1019 GeV)^4
G GG
...
¿Extrañas cancelaciones? ¿Cosas que no entendemos? ¿...?
Un nuevo problema de jerarquía... peor todavía
Sin embargo, la energía oscura es diminuta, en la escala de energías de Física de Partículas: (10-3 eV)4
Muchos órdenes de magnitud de diferencia Fine tuning!
Divergente
La constante cosmológica es inestable frente a correcciones cuánticas
Su escala natural sería Mp4 ∼ (1019 GeV)^4
G GG
...
¿Extrañas cancelaciones? ¿Cosas que no entendemos? ¿...?
Un nuevo problema de jerarquía... peor todavía
Sin embargo, la energía oscura es diminuta, en la escala de energías de Física de Partículas: (10-3 eV)4
Muchos órdenes de magnitud de diferencia Fine tuning!
Divergente
La constante cosmológica es inestable frente a correcciones cuánticas
Su escala natural sería Mp4 ∼ (1019 GeV)^4
G GG
...
¿Extrañas cancelaciones? ¿Cosas que no entendemos? ¿...?
Un nuevo problema de jerarquía... peor todavía
Sin embargo, la energía oscura es diminuta, en la escala de energías de Física de Partículas: (10-3 eV)4
Muchos órdenes de magnitud de diferencia Fine tuning!
Uno de los problemas más importantes de la Física Teórica para el s. XXI
Divergente
Explicación antrópicaUna constante cosmológica grande impide la formación de las estructuras necesarias para la existencia de observadores
Weinberg
Explicación antrópicaUna constante cosmológica grande impide la formación de las estructuras necesarias para la existencia de observadores
Consideremos un mecanismo que popule universos que exploren diferentes valores de la constante cosmológica
Weinberg
Explicación antrópicaUna constante cosmológica grande impide la formación de las estructuras necesarias para la existencia de observadores
Consideremos un mecanismo que popule universos que exploren diferentes valores de la constante cosmológica
Todo observador detecta una CC de orden (10-3 eV)4
Weinberg
Explicación antrópicaUna constante cosmológica grande impide la formación de las estructuras necesarias para la existencia de observadores
Consideremos un mecanismo que popule universos que exploren diferentes valores de la constante cosmológica
Todo observador detecta una CC de orden (10-3 eV)4
Weinberg
Debate controvertido en la comunidad científica
Dorne
Origen: Inflación cósmica
Condiciones iniciales del Big Bang
¿Qué paso al principio? ¿Por qué todo se aleja de todo a partir del Big Bang?Inflación: El Universo experimentó una expansión exponencial, de 10-34 segundos, inducida por la energía oscura del potencial de un campo escalar, denominado “inflatón”
Andrei LindeAlan Guth
Además predice correctamente el espectro de fluctuaciones del CMB
Explica un Universo plano y conectado causalmente
Condiciones iniciales del Big Bang
¿Qué paso al principio? ¿Por qué todo se aleja de todo a partir del Big Bang?Inflación: El Universo experimentó una expansión exponencial, de 10-34 segundos, inducida por la energía oscura del potencial de un campo escalar, denominado “inflatón”
Andrei LindeAlan Guth
Además predice correctamente el espectro de fluctuaciones del CMB
Explica un Universo plano y conectado causalmente
¿Quién es el inflatón y cuál es su física?
Problema del horizonte
Tamaño de una región conectadacausalmente, para t = 300,000 años Universo observable
en el momento de desacoplo
Nosotros
Puntos no conectados causalmente
¿Por qué el Universo es tan homogéneo incluso en regiones que no han estado conectadas causalmente?
Problema del horizonte
Tamaño de una región conectadacausalmente, para t = 300,000 años Universo observable
en el momento de desacoplo
Nosotros
Puntos no conectados causalmente
¿Por qué el Universo es tan homogéneo incluso en regiones que no han estado conectadas causalmente?
Inflación
En marzo 2014, el telescopio BICEP2 en el Polo Sur anunció la detección del efecto de ondas gravitacionales en el fondo de microondas.
A la espera de confirmación/refutación por otros experimentos
Ondas gravitacionales primordiales
(ver charla de J. García-Bellido)
Su origen sería el periodo de inflación cósmicaPermitiría extraer información del Universo en esa época (10-34 segundos). Esencialmente nos remonta al origen del Big Bang
Multiplicidad: el Multiverso
Altojardín
Inflación caótica
Debido a fluctuaciones cuánticas del inflatón, el universo inflacionario nuclea burbujas con diferentes valores del inflatón,i.e. distintos valores de la energía oscura
i.e. distintos aceleraciones exponenciales
Inflación caótica
Debido a fluctuaciones cuánticas del inflatón, el universo inflacionario nuclea burbujas con diferentes valores del inflatón,
Nuestro Universo observable sería parte de una de estas burbujas en un Multiverso mucho mayor
i.e. distintos valores de la energía oscura
i.e. distintos aceleraciones exponenciales
Multiverso y “landscape”
Teorías con campos escalares con potencial con muchos mínimos
P. ej. en teoría de cuerdas, ver más adelante
Cada mínimo describe un Universo posible
Multiverso y “landscape”
Teorías con campos escalares con potencial con muchos mínimos
P. ej. en teoría de cuerdas, ver más adelante
Cada mínimo describe un Universo posibleTransiciones de efecto túnel crean burbujas en el Multiverso
Multiverso y “landscape”
Teorías con campos escalares con potencial con muchos mínimos
P. ej. en teoría de cuerdas, ver más adelante
Cada mínimo describe un Universo posibleTransiciones de efecto túnel crean burbujas en el Multiverso
Multiverso y “landscape”
¿Es nuestro Universo parte de un Multiverso?
y si es así... ¿Cómo podemos saberlo?
Una nueva encrucijada...
Unidad: Unificación, Teoría de cuerdas
Aguasdulces
Unidad: Unificación, Teoría de cuerdas
Aguasdulces
Unificación en la historia de la Física
Física dePartículas
Mecánica Cuántica
Relatividad especial
Modelo Estándar
Cosmología
Electromagnetismo
Modelo atómico
Electricidad
Movimiento planetario
Movimiento en la Tierra
Mecánica(leyes de Newton)
Magnetismo
Gravedad
Interacción débil
Interacción fuerte
Interacción electrodébil
Relatividad general
Los diferentes tipos de partículas son sólo diferentes modos de vibración de un único tipo de objeto
La teoría de cuerdas propone que las partículas elementales no son puntuales, sino objetos extensos: Cuerdas (abiertas y/o cerradas)
Teoría de cuerdas
Los diferentes tipos de partículas son sólo diferentes modos de vibración de un único tipo de objeto
La teoría de cuerdas propone que las partículas elementales no son puntuales, sino objetos extensos: Cuerdas (abiertas y/o cerradas)
Teoría de cuerdas
Los diferentes tipos de partículas son sólo diferentes modos de vibración de un único tipo de objeto
La teoría de cuerdas propone que las partículas elementales no son puntuales, sino objetos extensos: Cuerdas (abiertas y/o cerradas)
El modo de oscilación más ligero de una cuerda cerrada es un gravitón ⇒ la teoría contiene gravedad
Teoría de cuerdas
+zoom
gravedad materia, fuerzas, Higgs
Los diferentes tipos de partículas son sólo diferentes modos de vibración de un único tipo de objeto
La teoría de cuerdas propone que las partículas elementales no son puntuales, sino objetos extensos: Cuerdas (abiertas y/o cerradas)
El modo de oscilación más ligero de una cuerda cerrada es un gravitón ⇒ la teoría contiene gravedad
Teoría de cuerdas
+zoom
gravedad materia, fuerzas, Higgs
¡Unificacióntotal!
Compatibiliza la Gravedad y la Mecánica Cuántica
- La teoría cuántica describe sistemas pequeños- La relatividad general describe sistemas muy masivos
¿ Sistemas muy masivos y muy pequeños?
- Idea teórica, especulativa, no comprobada experimentalmente- Fuente de muchos desarrollos en Física Fundamental
Singularidades en agujeros negros
Primeros instantesdel Big Bang
Teoría de cuerdas
Escala de Planck
Masa de Planck
MP =
��cG
Interpretación: masa necesaria para que la fuerza de gravedad entre partículas empieza a requerir un tratamiento cuántico
MP = 2, 4× 1018GeV/c2
Masa a partir de la que el radio de Schwarschild de una partículas es mayor que su longitud de Compton. La propia partícula es un agujero negro.
Relatividad GeneralFermi
- Acoplamiento
- Escala
- Complecióna alta energía W
!
!
e
e
?G
G
G
GF GN
LF ≈ (100 GeV)-1 LF ≈ (1019 GeV) -1
- Vértice
Analogía:
GG
G
G
Completa la Relatividad General a altas energías / distancias pequeñas
Teoría de cuerdas
Nueva Física a altas energías: La escala de Planck, MP
Relatividad GeneralFermi
- Acoplamiento
- Escala
- Complecióna alta energía W
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e
e
?G
G
G
GF GN
LF ≈ (100 GeV)-1 LF ≈ (1019 GeV) -1
- Vértice
Analogía:
GG
G
G
Completa la Relatividad General a altas energías / distancias pequeñas
¿Qué nueva Física? Las cuerdas
Teoría de cuerdas
Nueva Física a altas energías: La escala de Planck, MP
Dimensiones extra, landscape
La teoría de cuerdas requiere un espacio-tiempo de 10 dimensiones
Hay que considerar 6 dimensiones “compactificadas”indetectables a las energías accesibles experimentalmente
Dimensiones extra, landscape
La teoría de cuerdas requiere un espacio-tiempo de 10 dimensiones
Hay que considerar 6 dimensiones “compactificadas”indetectables a las energías accesibles experimentalmente
Muchas posibles elecciones de geometría interna: “Landscape”
La geometría interna determina las propiedades físicas en 4d
partículas, interacciones, familias, ...
SM en teoría de cuerdasespacio-tiempo 10d
D-brana
Las cuerdas abiertas pueden vivirlocalizadas en subespaciosD-branas
SM en teoría de cuerdasespacio-tiempo 10d
D-brana
Las cuerdas abiertas pueden vivirlocalizadas en subespaciosD-branas
Partículas de interacción:cuerdas abiertas en las branas
Partículas de materia:cuerdas abiertas en las intersecciones
SM en teoría de cuerdasespacio-tiempo 10d
D-brana
Las cuerdas abiertas pueden vivirlocalizadas en subespaciosD-branas
Partículas de interacción:cuerdas abiertas en las branas
Partículas de materia:cuerdas abiertas en las intersecciones
Número de familias:número de intersecciones
entre las D-branasEs “normal” tener múltiples familias
Más allá del SM en teoría de cuerdas
Nuevos fenómenos ... ¿detectables... ?
Mundo-brana (brane-world)
Dimensiones extra observables
Cuerdas cósmicas, Z´s, ... y muchas otras ...
Mini-agujeros negros
Supersimetría
Gravedad Cuántica Madre de dragones
Agujeros negros cuánticos
Radiación de Hawking
A nivel cuántico, los agujero negros son grises, pueden emitir partículas procedentes de las fluctuaciones del vacío cerca del horizonte
Temperatura de Hawking
El espectro de la radiación es como el cuerpo negro con temperatura
Ejemplos:
1 masa solar: T=60 nK
1 masa lunar: T=2,7 K Los agujeros negros más masivos están más fríos
Los agujeros negros astrofísicos están muy muy fríos, y absorben muchísimo más de lo que emiten
Agujeros negros cuánticosEl problema de la información
La radiación de Hawking termina evaporando* el agujero negro(tiempo ENORME para agujeros negros astrofísicos)
¿Se pierde la información caída en el agujero negro?
En Mecánica Cuántica, violación de unitariedad (probabilidad total ≠ 1)
* Asumiendo que no hay “remanentes” (remnants)
Agujeros negros cuánticos
Holografía
La entropía de un agujero negro está relacionada con el área de la región, y no con su volumen, al contrario de sistemas usuales (gases, etc).
Sugiere que la información de los microestados cuánticos del agujero negro está almacenada sólo en el horizonte
Analogía con un holograma, imagen 2d que almacena información 3d
Entropía de Bekenstein-Hawking
Agujeros negros en Teoría de cuerdas
Descripción de microestados cuánticos de ciertos agujeros negros construidos con D-branas
Agujeros negros en Teoría de cuerdas
Descripción de microestados cuánticos de ciertos agujeros negros construidos con D-branas
Agujeros negros en Teoría de cuerdas
Descripción de microestados cuánticos de ciertos agujeros negros construidos con D-branas
Agujeros negros en Teoría de cuerdas
Descripción de microestados cuánticos de ciertos agujeros negros construidos con D-branas
Correspondencia AdS/CFT:
Descripción de un sistema gravitatorio en 5den términos de una teoría cuántica de campos 4d ⇒ ¡ Holografía !
¿El final de la Física?
¿El final de la Física?¡Pasamos al próximo nivel!
Tanteando las fronteras...
El Muro
Un camino largo y no siempre claro...
vivir escudriñando los misterios del Universo...Pero
¡No tiene precio!vivir escudriñando los misterios del Universo...
