jueves, 13 de diciembre de 2012

CEA XX: Cosmología y Física de Partículas

Cosmología y Física de Partículas


Los conferenciantes nos ofrecen dos charlas sobre el Universo. Una desde el punto de vista del macromundo y otra desde el micromundo.



Física de Partículas.


D. Antonio Ferrer (Universitat de València-CERN)

 1) Introducción a la física de partículas y cosmología

Es el estudio de lo infinitamente pequeño y lo infinitamente grande. El desafío científico de la actualidad es entender los primeros instantes de nuestro universo. Hoy tenemos una teoría conocida como big bang que postula que hace 13,7 mil millones de años el universo tenía una densidad infinita que, tras una explosión, el espacio y tiempo comenzaron a evolucionar. Entonces, la materia y la energía comenzaron a poblar el universo, configurándolo tal y como es hoy, y que nada tiene que ver a cómo era en sus inicios. Pero si llegamos a conocer qué es lo que ocurrió en los primeros instantes, podremos comprender mejor qué es lo que vemos hoy en día.

Para estudiar lo pequeño tenemos los aceleradores de partícula. Para el macroscosmos contamos con los grandes telescopios.

El LHC nos permite estudiar las leyes de la física en instantes posteriores al big bang. Luego, un acelerador es como una maquina del tiempo que nos permite recrear los primeros instantes del universo. No somos capaces de fabricar un segundo big bang pero podemos recrear sucesos que ocurrieron poco después tras el.

¿Cómo observar la materia? Para estudiar los núcleos atómicos y los quarks se requiere un acelerador de partículas.

¿De qué está hecha la materia? Sabemos describir cualquier molécula que existe a nuestro alrededor.

Hoy la física de partículas tiene una teoría potente que explica prácticamente todo lo que sabemos de la materia: el modelo estándar. Está basada en la mecánica cuántica, en la relatividad y en las simetrías gauge.

Con el modelo estándar se ha descubierto que hay tres ingredientes en la materia: las partículas, las fuerzas y el bosón de higgs. El bosón de higgs es una fuerza especial que dota de masa a las partículas fuerza y partículas materia. Estos tres ingredientes se diferencian por su spín.


El bosón de higgs ha sido la partícula mas buscada, ya que era una articula hipotética predicha por el modelo estándar. Sabemos que es un campo escalar de spín cero y que es su propia antipartícula. Explica el origen de la masa de las partículas. Las partículas poseen masa por la ruptura espontánea de la simetría.

Cada partícula tiene su antipartícula, lo que es una nueva simetría. Son las mismas partículas, pero cambia el signo del spín, lo que genera que en su encuentro se aniquilan produciendo energía. Pero no vemos antimateria en el Universo observable porque sino veríamos sus efectos en nuestro universo. No sabemos por qué ocurre esto.

¿De qué está hecho el universo?

Casi todo el universo está hecho de componentes que no conocemos. La materia normal que podemos explicar sólo representa el 4% del Universo. A la materia oscura la llamamos así porque no es luminosa. También está la energía oscura, que es probable que sea la causante de la expansión de la aceleración del universo. Luego la materia normal es minoritaria.


2) El CERN y el LHC

El CERN fue fundado en 1954 por diversos países. España es miembro pero no paga la cuota y no está en los presupuestos, por lo que su futuro en él es incierto.

El CERN está situado a cien metros bajo el suelo. El acelerador en un sincrotrón donde las partículas giran en ambos sentidos en un anillo gracias a unos imanes que curvan las trayectorias. En el interior del anillo hay menos aire que en la superficie de la luna. Las partículas se aceleran gracias a una diferencia de voltaje. En el LHC necesitaríamos 7 billones de voltios por haz que se genera en unas cavidades de radio frecuencias, capaces de lograr velocidades muy cercanas a la de la luz.

Para doblar la trayectoria y que sigan el círculo se emplean imanes que usan campos magnéticos superconductores que trabajan a 1,9 grados kelvin.


3) Experimento ATLAS en el LHC

En una colisión se producen muchas partículas. Hay que identificarlas todas. En estas colisiones se cumple la ley de Einstein E=mc2.

Atlas tiene una altura de un edificio de 5 plantas. Toma una foto cada 25 nanosegundos y se producen 600.000.000 colisiones de protones por cada segundo. Esto es un desafío. Para almacenar esta información se inventó un nuevo procedimiento: GRID. Es un almacén de datos que ha hecho posible el descubrimiento del nuevo bosón.

4) El descubrimiento del nuevo bosón de 126 GeV

El LHC es una compleja máquina pero que ha funcionado muy bien durante los últimos años. Con el modelo estándar no sabíamos la masa que tenía el higgs, pero sí se sabía su ley de producción. También sabíamos que se desintegraba deprisa.

En el CMS también se encontró este bosón alrededor de la misma masa. Por ello se cree que es una partícula fundamental y que es el bosón de Higgs. Para saber su identidad estudiamos su desintegración.

5) La supersimetría

Existe otra teoría llamada supersimetría, que dice que cada una de las doce partículas y el higgs, tienen una imagen en la supersimetría en la cual cada partícula tiene una partícula asociada, que une la materia con la fuerza y la fuerza con la materia.

Es una unificación de la fuerza fuerte y electrodébil y conecta con la teoría de cuerdas. Es la única teoría que tenemos que nos da una idea de lo que es la materia oscura. En el LHC se trabaja en la producción de la materia oscura, unas partículas que interaccionan poco. Pero como no interaccionan ¿cómo las detectamos? En el choque se debe conservar la energía, pero si falta, podría deberse a que se ha creado materia oscura. Pero la masa de esta materia se postula miles de veces más pequeña que la del protón, por lo que aun no se ha detectado.


6) Conclusiones

El LHC funcionará hasta 2030 y nos va a ayudar a explorar lo desconocido del universo.






Cosmología actual.

 Vicent Martinez (Universitat de València)



La cosmología se une a  la física de partículas  para tratar de resolver el puzzle del universo.

Hemos fotografiado galaxias en todas partes. Con estas fotografías podemos hacer un cartografiado de las galaxias del universo. La luz de los astros nos ha dado una gran información de su contenido, y entre estos datos, hemos averiguado que todo lo que brilla no constituye más del 5% del lo que hay en el universo.

 Del lado oscuro del universo tenemos diversas evidencias.

En los años 1930 Fritz Zwicky midió las velocidades de las galaxias del cúmulo de Coma, encontrando que tenían un movimiento propio muy grande, del orden de 1.000 kilómetros por segundo. A esas velocidades, las galaxias se tendrían que haber separado del cúmulo porque no habría materia suficiente para retenerlas por la gravedad, luego tendría que haber una gran cantidad de materia oscura que retuviera estas galaxias. Esa idea pasó bastante desapercibida retomándose unos 40 años después.

En los años 70 se retoma esta idea en el estudio de las galaxias espirales. Con los espectrógrafos de la época de podía medir la rotación de estas galaxias en diferentes longitudes de onda. Los resultados esperables eran que la velocidad decreciera conforme nos alejáramos del centro de la galaxia tal y como ocurre con los planetas del sistema solar. Se creía que en las galaxias ocurría lo mismo, tal y como dice la ley de Kepler. Pero no ocurría así. Luego, debía existir materia oscura a nivel de la propia galaxia.


También se ha detectado una gran emisión de rayos x en el gas caliente en el interior de los cúmulos de las galaxias, lo que sugiere que debe existir una materia que mantenga a este gas atrapado dentro del cúmulo a gran temperatura.

Las lentes gravitacionales también nos han permitido intuir la presencia de materia oscura. La luz se curva con la presencia de masas debido a la gravedad que generan. Por ello su estudio nos permite calcular la masa que falta para crear las distorsiones generadas por las lentes en los cuerpos galácticos lejanos. La masa calculada es mucho mayor que la masa luminosa observada. Luego tenemos pruebas que no se basan en hipótesis, sino que podemos observarlas directamente.

Si pudiéramos ver la materia oscura nuestra galaxia tendría una visión completamente diferente.

Las supernovas de tipo Ia se producen cuando una enana blanca acreta la materia procedente de una estrella gigante compañera. Cuando la masa acretada supera el límite de Chandrasekar se produce una explosión. Su estudio se puede vincular a la hipótesis de la expansión del universo.
 Esas supernovas remotas se encuentran a miles de millones de años luz de la Tierra. Cuando se observan se puede determinar su brillo. Como la gravedad es una fuerza atractiva se esperaba que el universo se estuviese desacelerando, pero el estudio de las supernovas nos dice que el ritmo de expansión se acelera. Las supernovas, patrones de luminosidad estándar, son un 25% menos brillantes de lo esperado. Luego, las galaxias en las que se producen, están más lejos de lo esperado. Esta observación hizo que se recuperara la constante cosmológica propuesta por Einstein en 1917, que él mismo desechó por creerla errónea. Einstein creía que el universo era estático por ello aunque sus ecuaciones predecían un universo dinámico,  pensó que andaba errado en los cálculos.


La mayor evidencia de la energía oscura no proviene de las supernovas. La radiación de fondo de microondas se descubrió en 1965. Hoy analizamos los mapas de radiación cósmica obtenidos por las diferentes misiones y percibimos unas anomalías que hacen pensar que el universo tiene una geometría determinada. La conclusión es que el universo tiene una geometría plana. Esto nos lleva a deducir que la densidad del universo es de 4-5 átomos por metro cúbico. Esta es la densidad crítica. La cinemática de las galaxias y la dinámica de los cúmulos de las galaxias, apunta a que la cantidad de la contribución de toda la masa visible y no visible sería como mucho un 30% del universo. Y esto nos lleva a la conclusión de que si el universo es plano (100%) y la materia supone el 30%, existe un 70% de algo que llamamos energía oscura.






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