Preguntas abiertas de la Física Fundamental

Preguntas abiertas
de la Física Fundamental
Angel M. Uranga
IFT UAM-CSIC
Residencia de Estudiantes
Noviembre 2014
La Preguntas
Física Fundamental
abiertas
de laenFísica
7 preguntas
Fundamental
Angel M. Uranga
IFT UAM-CSIC
Residencia de Estudiantes
Noviembre 2014
Física Fundamental
Preguntas fundamentales
¿De qué esta hecha la materia?
¿Cómo es el Universo?
¿Es eterno? ¿Tuvo principio? ¿Tendrá fin?
¿Cuáles son las leyes fundamentales del Universo?
¿...?
Curiosidad innata del ser humano
Progreso lleva a más preguntas a niveles más profundos
Física Fundamental
Preguntas fundamentales
¿De qué esta hecha la materia?
¿Cómo es el Universo?
¿Es eterno? ¿Tuvo principio? ¿Tendrá fin?
¿Cuáles son las leyes fundamentales del Universo?
¿...?
Curiosidad innata del ser humano
Progreso lleva a más preguntas a niveles más profundos
No motivada por aplicaciones prácticas directas
Aunque muchas aplicaciones derivadas...
Física Fundamental
Preguntas fundamentales
Física Fundamental
Preguntas fundamentales
Lo infinitamente pequeño...
Física de Partículas
Lo infinitamente grande...
Cosmología
Física Fundamental
Preguntas fundamentales
Física Fundamental
Preguntas fundamentales
Modelo Estándar
de Partículas Elementales
Modelo Estándar
de Cosmología
La física de partículas
estudia la materia en sus
dimensiones más diminutas
Aceleradores
y detectores
Microscopios
La astrofísica y la cosmología
estudian la materia en sus
dimensiones más grandes
Binoculares
Telescopios ópticos y
radiotelescopios
Lo infinitamente pequeño:
Física de Partículas
Modelo Estándar de Partículas Elementales
Modelo Estándar de Partículas Elementales
Partículas de Materia
quarks y leptones
Modelo Estándar de Partículas Elementales
Partículas de Materia
quarks y leptones
!e
u
e
d
!µ
c
µ
s
!"
t
"
b
Modelo Estándar de Partículas Elementales
Partículas de Materia
quarks y leptones
!e
u
e
d
!µ
c
µ
s
!"
t
"
b
Partículas de Interacción
fotón, Z, W, gluones
gravitón(?)
Modelo Estándar de Partículas Elementales
Partículas de Materia
quarks y leptones
!e
u
Partículas de Interacción
fotón, Z, W, gluones
gravitón(?)
e
e
!
e
!µ
d
c
µ
s
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"
b
e
!
e
e
W
e
!
!
Z
!
e
e
Modelo Estándar de Partículas Elementales
zz
Una proeza del intelecto humano
Describe la materia y fuerzas conocidas,
con un rango de validez de 20 órdenes de magnitud
y con una precisión asombrosa
El campo de Higgs
Campo:
magnitud definida en cualquier punto del espacio (y del tiempo)
Ejemplo: campo gravitatorio
El campo de Higgs
Campo:
magnitud definida en cualquier punto del espacio (y del tiempo)
Ejemplo: campo gravitatorio
Campo de Higgs:
Similar, con la diferencia de que no tiene una dirección
(campo escalar)
El campo de Higgs
Campo:
magnitud definida en cualquier punto del espacio (y del tiempo)
Ejemplo: campo gravitatorio
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
Campo:
magnitud definida en cualquier punto del espacio (y del tiempo)
Ejemplo: campo gravitatorio
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)
La masa de las partículas elementales es la manifestación de
sus interacciones con el campo de Higgs
Bosón de Higgs: Partícula (“cuanto”) asociada al campo de Higgs
El campo de Higgs
W,Z
fotón
La masa de las partículas elementales es la manifestación de
sus interacciones con el campo de Higgs
Bosón de Higgs: Partícula (“cuanto”) asociada al campo de Higgs
El campo de Higgs
W,Z
fotón
La masa de las partículas elementales es la manifestación de
sus interacciones con el campo de Higgs
Bosón de Higgs: Partícula (“cuanto”) asociada al campo de Higgs
El campo de Higgs
W,Z
fotón
La masa de las partículas elementales es la manifestación de
sus interacciones con el campo de Higgs
Bosón de Higgs: Partícula (“cuanto”) asociada al campo de Higgs
Campo de Higgs y bosón de Higgs
El campo de Higgs es un campo escalar que permea el vacío
Masa (inercia) de las partículas: interacción con el vacío
La partícula de Higgs es una fluctuación del campo de Higgs
¡Descubierto en el LHC en CERN en 2012!
¿Cómo adquieren masa las partículas? El campo de Higgs (y cia!)
Mecanismo
de Higgs
Mecanismo de Brout-Englert y Higgs, partícula de Higgs
P. Higgs
R. Brout (†2011)
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 masivos
Planetas, galaxias o.... el Universo entero
¿Cómo es el Universo?
La interacción gravitatoria se manifiesta en el comportamiento
de objetos muy masivos
Planetas, 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?
El Universo es dinámico, se expande
¡El espacio entre galaxias se expande!
¿Cómo es el Universo?
El Universo es dinámico, se expande
¡El espacio entre galaxias se expande!
Principio del Universo hace aprox.
13.000.000.000 años: Big Bang, Explosión
primigenia en la que está concentrado
todo el Universo conocido
Predicciones del Modelo del Big Bang
Fluctuaciones de densidad (¿inflación?)
Abundancias de
núcleos ligeros
Nucleosíntesis
al
Recombinación p+e-> H
Materia:
Colapso gravitatorio
Estrellas, galaxias, cúmulos
observable
Fotones:
Propagación libre
Fondo de radiación
EL UNIVERSO EN EXPANSIÓN
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.
Tiempo transcurrido
desde el Big Bang
Temperatura
13.800.000.000 años
3 K
Formación de
galaxias y estrellas
A partir de las pequeñas
inhomogeneidades presentes en el plasma
de partículas, la materia empieza a
agruparse por efectos gravitacionales,
dando lugar a la formación de
estructuras a gran escala. El estudio de
esta época se suele llevar a cabo
mediante simulaciones numéricas en
superordenadores.
Recombinación
Los electrones y los protones
combinan para formar átomos
hidrógeno neutro. Asimismo, aunque
mucha menor cantidad, los electrones
combinaron con núcleos de Helio.
Finalmente, las galaxias se forman y, en
el interior de las mismas, la materia se
condensa en forma de estrellas.
os
0.000 añ
1.000.00
Formación de
estructuras
100 K
Alrededor de una de estas estrellas, en
una galaxia espiral que hoy conocemos
como la “Via Láctea”, se formó nuestro
planeta, la Tierra.
Desacoplo de la luz
380.000 años
104 K
se
de
en
se
100.000 años
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).
105 K
D
D
3He
100
segundos
10-6
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).
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”.
3He
D
q
q
q
μ
μ
W+
q
Z
q
q
μ
?
10-38
!
Z
q
q
W+
?
μ
?
q
!
μ
W-
?
1013 K
q
q
q
q
!
qq
q
q
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.
qq
q
qq
q
qq
q
10-10
segundos W-
1010 K
qq
q
qq
q
qq
q
segundos
Bariogénesis
3He
7Li
qq
q
3He
4He
4He
4He
D
7Li
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”.
?
!
Z
1015 K
LHC
q
W-
1029 K
segundos
“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.
www.ift.uam-csic.es
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
1 015K e s t a s i n t e r a c c i o n e s s e d e s l i g a r o n .
Técnicamente, esto se conoce como “ruptura
electrodébil” y sus detalles serán explorados en
futuros aceleradores de partículas (como el LHC).
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.
Fondo de radiación de microondas
“Foto del Universo”
por el satélite Planck
Extremadamente homogéneo, fluctuaciones de una parte en 100.000
Modelo Estándar de Cosmología
(ΛCDM, “concordance model”)
Una proeza del intelecto humano
Describe la estructura y evolución del Universo conocido
en escalas de espacio y tiempo que abarcan 10 órdenes de
magnitud
Intrincada mezcla de lo infinitamente grande y lo
infinitamente pequeño
Modelo Estándar de Cosmología
(ΛCDM, “concordance model”)
Una proeza del intelecto humano
Describe la estructura y evolución del Universo conocido
en escalas de espacio y tiempo que abarcan 10 órdenes de
magnitud
Intrincada mezcla de lo infinitamente grande y lo
infinitamente pequeño
¿El final
de la Física?
¿El final
de la Física?
No tan rápido...
¿El final
de la Física?
“El final de la Física” en los albores del s. XX
A. Michelson, 1894
“En Física, sólo queda completar la sexta cifra decimal”
(All that remains to do in physics is to fill in the sixth decimal place)
Lord Kelvin, 1900, en su discurso a la Asociación Británica para el
Desarrollo Científico:
“Ya no queda nada por descubrir en Física.
Sólo queda aumentar más y más la precisión
de las medidas experimentales”
There is nothing new to be discovered in
physics now, All that remains is more
and more precise measurement.
“El final de la Física” en los albores del s. XX
A. Michelson, 1894
“En Física, sólo queda completar la sexta cifra decimal”
(All that remains to do in physics is to fill in the sixth decimal place)
Lord Kelvin, 1900, en su discurso a la Asociación Británica para el
Desarrollo Científico:
“Ya no queda nada por descubrir en Física.
Sólo queda aumentar más y más la precisión
de las medidas experimentales”
There is nothing new to be discovered in
physics now, All that remains is more
and more precise measurement.
Pero ya Lord Kelvin mencionó dos inquietantes
nubes en el horizonte de la Física:
- La radiación de cuerpo negro
- El experimento de Michelson-Morley
“El final de la Física” en los albores del s. XX
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
Las dos nubes desencadenaron dos
auténticos chaparrones de Física en el s. XX
- La radiación de cuerpo negro
Mecánica Cuántica
- El experimento de Michelson-Morley
Teoría de la Relatividad
Mecánica Clásica,
Teoría Cinética,
Thermodinámica
Boltzmann
Maxwell
Partículas
1895
1900
Movimiento
Browniano
1905
Átomo
1910
Núcleo
1920
1940
1950
1960
1970
Detectores
Relatividad
especial
Aceleradores
Geiger
µ-
Rayos
cósmicos
Desintegración
beta
Mesones de
Yukawa
Relatividad
General
Cámara
de niebla
Galaxias ; Universo en
expansión; modelo del
Big Bang
Ciclotrón
Materia oscura
Fusión nuclear
!
-
QED
"
p
-
Zoo de
partículas
Violación de
P, C, CP
"µ
""
u
d
Nucleosíntesis
cosmológica
Bosones W
"e
"-
1980
Fuerte
Tecnología
Radioactividad
Fotón
Dirac
Antimateria
n
e+
Débil
Mecánica Cuántica
Onda / partícula
Fermiones / Bosones
p+
1930
Universo
Campos
Electromagnético
e-
Newton
Higgs
s
c
MODELo ESTÁNDAR
b
Unificación
electrodébil
Color
QCD
Gran
unificaci’on?
Supersimetría?
Supercuerdas?
g
W
1990
Fondo de radiación de
microondas
Cámara de
burbujase
Cámara de hilos
Aceleradores
e+e
Enfriamiento
de haces
Ordenadores online
Inflación
Aceleradores
p+p-
Detectores
modernos
Z
3 familias
Sincrotrón
Inhomgeneidades del
fondo de microondas
WWW
t
2000
2010
Energía oscura
Masas de
neutrinos
GRID
Bosón de Higgs
LHC
¿Modos B primordiales?
Preguntas abiertas: el Mapa
Juego de Tronos
7 preguntas
de la Física
Fundamental
@George RR Martin,
theMountainGoat, Tear
Preguntas abiertas: el Mapa
Juego de Tronos
Los otros
Familias
Escalas
Oscuridad
Vacío
Origen
Multiplicidad
Unidad
7 preguntas
de la Física
Fundamental
@George RR Martin,
theMountainGoat, Tear
La madre
de dragones
Preguntas abiertas: el Mapa
Juego de Tronos
Los otros
Familias
Familias
y Sabor
Escalas
Probl.
Jerarquía
7 preguntas
de la Física
Fundamental
Oscuridad
Universo
Oscuro
Const.cosmológica
Vacío
Origen
Inflación
cósmica
Multiplicidad
Multiverso
Unidad
Unificación
@George RR Martin,
theMountainGoat, Tear
Gravedad
Cuántica
La madre
y
de dragones
Teoría de Cuerdas
La elección y clasificación en 7 preguntas es subjetiva
y la analogía con mundos de fantasía es arbitraria...
La elección y clasificación en 7 preguntas es subjetiva
y la analogía con mundos de fantasía es arbitraria...
@Werangutan Ltd
Familias: El problema del sabor
Casa Lannister
Sobredosis de familias:
¿Quién ha encargado eso?
Masas y ángulos de mezcla
¿por qué 3 familias?
!e
u
e
d
1a familia
!µ
c
µ
s
!"
t
"
b
a
2a familia
“¿Quién ha encargado eso?”
3 familia
¿por qué 3 familias?
No hay ninguna explicación satisfactoria de las 3 familias
¿por qué 3 familias?
No hay ninguna explicación satisfactoria de las 3 familias
¿Y si ..?
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:)
¿por qué 3 familias?
¿Y si ..?
3 familias: permite asimetría entre partículas y antipartículas
violación
de simetría
CP satisfactoria de las 3 familias
No hay ninguna
explicación
¿Solución a la asimetría
materia-antimateria en el Universo?
No, realmente no es suficiente
(pregunta abierta extra:)
¿por qué 3 familias?
¿Y si ..?
3 familias: permite asimetría entre partículas y antipartículas
violación
de simetría
CP satisfactoria de las 3 familias
No hay ninguna
explicación
¿Solución a la asimetría
materia-antimateria en el Universo?
En teoría de cuerdas (ver más adelante),
No, sírealmente
no
es
suficiente
se entiende que es “normal” tener varias familias,
(pregunta abierta extra:)
¿por qué 3 familias?
¿Y si ..?
3 familias: permite asimetría entre partículas y antipartículas
violación
de simetría
CP satisfactoria de las 3 familias
No hay ninguna
explicación
¿Solución a la asimetría
materia-antimateria en el Universo?
En teoría de cuerdas (ver más adelante),
No, sírealmente
no
es
suficiente
se entiende que es “normal” tener varias familias,
(pregunta abierta extra:)
aunque todavía no explica por qué hay 3
¿por qué esas masas?
1 TeV
100 GeV
1 GeV
mtop = 172 GeV
melectron = 0.00056 GeV
1 MeV
0.01 eV
mHiggs = 126 GeV
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)
Simetría
La masa de las partículas elementales
está protegida por simetrías
(prohíben la aparición de masa
incluso a nivel cuántico)
Las masas aparecen en la ruptura espontánea de la simetría
(controladas por la escala de la masa de Higgs)
- El top, Z, W, masa similar al Higgs
m = λv
- ¿Por qué p.ej. el electrón es tan ligero?
(los neutrinos, más especiales todavía, pregunta extra:)
- Y ya puestos...
Simetría
La masa de las partículas elementales
está protegida por simetrías
(prohíben la aparición de masa
incluso a nivel cuántico)
Las masas aparecen en la ruptura espontánea de la simetría
(controladas por la escala de la masa de Higgs)
- El top, Z, W, masa similar al Higgs
m = λv
- ¿Por qué p.ej. el electrón es tan ligero?
(los neutrinos, más especiales todavía, pregunta extra:)
- Y ya puestos...
¿quién fija el valor del campo de Higgs?
Escalas: Problema de la jerarquía
Valle de Arryn
escala electrodébil y de Planck
1018 GeV
100 GeV
escala
electrodébil
(Higgs)
?
?
escala
de Planck
(gravedad)
escala electrodébil y de Planck
1018 GeV
100 GeV
escala
electrodébil
(Higgs)
?
?
escala
de Planck
(gravedad)
escala electrodébil y de Planck
1018 GeV
100 GeV
escala
electrodébil
(Higgs)
?
?
escala
de 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
La escala electrodébil depende directamente de la
masa del bosón de Higgs
valor 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 Higgs
valor del campo de Higgs, masas de todas las partículas
La masa del bosón de Higgs es inestable bajo
efectos cuánticos
H
H
Partículas
virtuales
“Fine tuning”
En Física normalmente no hay ‘ajustes finos´
Ejemplo: Radio del átomo de Hidrógeno
�2
Radio �
me e 2
Estimación magnitud
e , me , �
3 �2
−9
Radio =
=
5
×
10
cm
2
2 me e
Cálculo completo en M.C.
“Fine tuning”
En Física normalmente no hay ‘ajustes finos´
Ejemplo: Radio del átomo de Hidrógeno
�2
Radio �
me e 2
Estimación magnitud
e , me , �
Masa del Higgs
3 �2
−9
Radio =
=
5
×
10
cm
2
2 me e
Cálculo completo en M.C.
MHiggs ≈ MP ≈ 1018 GeV
“Fine tuning”
En Física normalmente no hay ‘ajustes finos´
Ejemplo: Radio del átomo de Hidrógeno
�2
Radio �
me e 2
Estimación magnitud
e , me , �
Masa del Higgs
3 �2
−9
Radio =
=
5
×
10
cm
2
2 me e
Cálculo completo en M.C.
MHiggs ≈ MP ≈ 1018 GeV
¡¡ Pero experimentalmente 126 GeV !!
Fine
tuning!
“Fine tuning”
En Física normalmente no hay ‘ajustes finos´
Ejemplo: Radio del átomo de Hidrógeno
�2
Radio �
me e 2
Estimación magnitud
e , me , �
Masa del Higgs
3 �2
−9
Radio =
=
5
×
10
cm
2
2 me e
Cálculo completo en M.C.
MHiggs ≈ MP ≈ 1018 GeV
¡¡ Pero experimentalmente 126 GeV !!
Fine
tuning!
Supersimetría
Elegante propuesta de solución a la jerarquía
Aún no comprobada experimentalmente...
Cada partícula del SM tendría una partícula compañera asociada,
con la misma carga, pero spin distinto y masa mucho mayor
Spin 1/2
Spin 0,1
leptón
sleptón
quark
squark
Wino
W/Z
fotino
fotón
gluino
gluón
Si estas partículas existen, serán muy pesadas
Pero al alcance del LHC (ATLAS, CMS)
Cota experimental M >1000 GeV
Posible explicación de la materia oscura en el Universo
(ver más adelante)
Supersimetría
‘’No hay que economizar
en el número de partículas.
En lo que hay que ser económico
es en el número de Principios
Físicos’’
Abdus Salam
Supersimetría
La supersimetría estabiliza la masa del Higgs
H
H
Partículas
virtuales
Supersimetría
La supersimetría estabiliza la masa del Higgs
H
H
Partículas
virtuales
H
super-partículas
virtuales
+
≈0
H
Supersimetría
La supersimetría estabiliza la masa del Higgs
H
H
Partículas
virtuales
H
super-partículas
virtuales
+
≈0
H
MHiggs << MP ≈ 1018 GeV
La masa del bosón de Higgs es estable bajo efectos cuánticos
Supersimetría
La supersimetría estabiliza la masa del Higgs
H
H
Partículas
virtuales
H
super-partículas
virtuales
+
≈0
H
MHiggs << MP ≈ 1018 GeV
La masa del bosón de Higgs es estable bajo efectos cuánticos
Desierto e inestabilidad
1018 GeV
100 GeV
escala
electrodébil
(Higgs)
Si no hay nueva Física,
sino un “desierto”
entre las dos escalas...
?
?
escala
de Planck
(gravedad)
Desierto e inestabilidad
1018 GeV
100 GeV
escala
electrodébil
(Higgs)
Si no hay nueva Física,
sino un “desierto”
entre las dos escalas...
?
?
escala
de Planck
(gravedad)
... un Higgs de 126 GeV desarrolla
un mínimo de energía a valores enormes del campo
¡Inestabilidad
del vacío!
(aparición, con muy baja
probabilidad, de burbujas
del nuevo mínimo)
Desierto e inestabilidad
1018 GeV
100 GeV
escala
electrodébil
(Higgs)
Si no hay nueva Física,
sino un “desierto”
entre las dos escalas...
?
?
escala
de Planck
(gravedad)
... un Higgs de 126 GeV desarrolla
un mínimo de energía a valores enormes del campo
¡Inestabilidad
del vacío!
(aparición, con muy baja
probabilidad, de burbujas
del nuevo mínimo)
Oscuridad: Materia Oscura y Energía Oscura
Rocadragón
Composición del Universo
¡El 95% del contenido del Universo es un misterio!
Composición del Universo
¡El 95% del contenido del Universo es un misterio!
- Materia bariónica, aprox. 5%
Materia conocida, átomos, etc
- Materia oscura, aprox. 25%
Materia que no emite luz
Se detecta su efecto gravitatorio
Posiblemente partículas neutras
muy pesadas
- Energía oscura, aprox. 70%
Energía del vacío, NO de partículas
Genera una expansión acelerada del Universo
Un Universo muy oscuro…
Un Universo muy oscuro…
Materia oscura
Materia oscura
º
Materia oscura
º
Candidatos
axion,
WIMP
en
CP
fuerte
p.ej. neutralino
(pregunta abierta:)
en supersimetría
Existen en muchas
teorías que solucionan
otros problemas
Candidatos
WIMP
p.ej. neutralino
en supersimetría
Existen en muchas
teorías que solucionan
otros problemas
axion,
en CP fuerte
(pregunta abierta:)
Candidatos
axion,
en CP fuerte
WIMP
p.ej. neutralino
en supersimetría
Existen en muchas
teorías que solucionan
otros problemas
(pregunta abierta:)
Candidatos
axion,
en CP fuerte
WIMP
p.ej. neutralino
en supersimetría
Existen en muchas
teorías que solucionan
otros problemas
(pregunta abierta:)
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
- 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
- Diversos experimentos intentan detectar sus
propiedades (ecuación de estado etc)
Dark Energy Survey (DES), ...
Destino final
La energía oscura determina la evolución futura del Universo
Big Freeze
energía oscura constante
Big Crunch
si la energía oscura
desaparece
Big Rip
si la energía oscura
aumenta
THE BIG FREEZE
Constant dark energy
keeps constantly
accelerated expansion
Destino final
La energía oscura determina la evolución futura del Universo
Big Freeze
energía oscura constante
Big Crunch
si la energía oscura
desaparece
Big Rip
si la energía oscura
aumenta
THE BIG FREEZE
Constant dark energy
keeps constantly
accelerated expansion
Vacío: Energía Oscura y Const. Cosmológica
Invernalia
Constante 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
Divergente
Un nuevo problema de jerarquía... peor todavía
La constante cosmológica es inestable frente a correcciones cuánticas
G
G
G
...
Su escala natural sería Mp4 ∼ (1019 GeV)^4
Sin embargo, la energía oscura es diminuta, en la escala de energías
de Física de Partículas: (10-3 eV)4
Fine
¿Extrañas cancelaciones? ¿Cosas que no entendemos? ¿...?tuning!
Muchos órdenes de magnitud de diferencia
Divergente
Un nuevo problema de jerarquía... peor todavía
La constante cosmológica es inestable frente a correcciones cuánticas
G
G
G
...
Su escala natural sería Mp4 ∼ (1019 GeV)^4
Sin embargo, la energía oscura es diminuta, en la escala de energías
de Física de Partículas: (10-3 eV)4
Fine
¿Extrañas cancelaciones? ¿Cosas que no entendemos? ¿...?tuning!
Muchos órdenes de magnitud de diferencia
Divergente
Un nuevo problema de jerarquía... peor todavía
La constante cosmológica es inestable frente a correcciones cuánticas
G
G
G
...
Su escala natural sería Mp4 ∼ (1019 GeV)^4
Sin embargo, la energía oscura es diminuta, en la escala de energías
de Física de Partículas: (10-3 eV)4
Fine
¿Extrañas cancelaciones? ¿Cosas que no entendemos? ¿...?tuning!
Muchos órdenes de magnitud de diferencia
Uno de los problemas más importantes de la Física Teórica para el s. XXI
Explicación antrópica
Weinberg
Una constante cosmológica grande impide la formación de
las estructuras necesarias para la existencia de observadores
Explicación antrópica
Weinberg
Una 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
Explicación antrópica
Weinberg
Una 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
Explicación antrópica
Weinberg
Una 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
Debate controvertido en la comunidad científica
Origen: Inflación cósmica
Dorne
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”
Alan Guth
Andrei Linde
Explica un Universo plano y conectado causalmente
Además predice correctamente el espectro de
fluctuaciones del CMB
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”
Alan Guth
Andrei Linde
Explica un Universo plano y conectado causalmente
Además predice correctamente el espectro de
¿Quién esdel
el CMB
inflatón y cuál es su física?
fluctuaciones
Problema del horizonte
¿Por qué el Universo es tan homogéneo incluso en regiones
que no han estado conectadas causalmente?
Nosotros
Tamaño de una región conectada
causalmente, para t = 300,000 años
Universo observable
en el momento de desacoplo
Puntos no conectados
causalmente
Problema del horizonte
¿Por qué el Universo es tan homogéneo incluso en regiones
que no han estado conectadas causalmente?
Nosotros
Tamaño de una región conectada
causalmente, para t = 300,000 años
Universo observable
en el momento de desacoplo
Puntos no conectados
causalmente
Inflación
Ondas gravitacionales primordiales
En marzo 2014, el telescopio BICEP2 en el Polo Sur anunció la detección
del efecto de ondas gravitacionales en el fondo de microondas.
Su origen sería el periodo de inflación cósmica
Permitiría extraer información del Universo en esa época (10-34 segundos).
Esencialmente nos remonta al origen del Big Bang
A la espera de confirmación/refutación por otros experimentos
(ver charla de J. García-Bellido)
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,
i.e. distintos valores de la energía oscura
i.e. distintos aceleraciones exponenciales
Nuestro Universo observable sería parte de una de estas
burbujas en un Multiverso mucho mayor
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 posible
Transiciones 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 posible
Transiciones 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
Movimiento
en la Tierra
Gravedad
Movimiento
planetario
Mecánica
(leyes de Newton)
Relatividad
general
Cosmología
Relatividad
especial
Modelo atómico
Mecánica
Cuántica
Modelo
Estándar
Electricidad
Electromagnetismo
Magnetismo
Interacción
débil
Interacción
fuerte
Interacción
electrodébil
Física de
Partículas
Teoría de cuerdas
La teoría de cuerdas propone que
las partículas elementales no son
puntuales, sino objetos extensos:
Cuerdas (abiertas y/o cerradas)
Los diferentes tipos de partículas son
sólo diferentes modos de vibración
de un único tipo de objeto
Teoría de cuerdas
La teoría de cuerdas propone que
las partículas elementales no son
puntuales, sino objetos extensos:
Cuerdas (abiertas y/o cerradas)
Los diferentes tipos de partículas son
sólo diferentes modos de vibración
de un único tipo de objeto
Teoría de cuerdas
La teoría de cuerdas propone que
las partículas elementales no son
puntuales, sino objetos extensos:
Cuerdas (abiertas y/o cerradas)
Los diferentes tipos de partículas son
sólo diferentes modos de vibración
de un único tipo de objeto
El modo de oscilación más ligero de una
cuerda cerrada es un gravitón la teoría contiene gravedad
zoom
gravedad
+
materia, fuerzas,
Higgs
Teoría de cuerdas
La teoría de cuerdas propone que
las partículas elementales no son
puntuales, sino objetos extensos:
Cuerdas (abiertas y/o cerradas)
Los diferentes tipos de partículas
¡Unificación
son
sólo diferentes modos de vibración
total!
de un único tipo de objeto
El modo de oscilación más ligero de una
cuerda cerrada es un gravitón la teoría contiene gravedad
zoom
gravedad
+
materia, fuerzas,
Higgs
Teoría de cuerdas
- Idea teórica, especulativa, no comprobada experimentalmente
- Fuente de muchos desarrollos en Física Fundamental
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?
Primeros instantes
del Big Bang
Singularidades en
agujeros negros
Escala de Planck
Masa de Planck
MP =
�
�c
G
Interpretación: masa necesaria para que la fuerza de gravedad
entre partículas empieza a requerir un tratamiento cuántico
MP = 2, 4 × 1018 GeV/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.
Teoría de cuerdas
Completa la Relatividad General a altas energías / distancias pequeñas
Analogía:
Relatividad General
Fermi
G
- Vértice
G
GF
- Acoplamiento
- Escala
G
GN
LF ≈ (1019 GeV) -1
LF ≈ (100 GeV)-1
!
e
- Compleción
a alta energía
G
G
W
!
Nueva Física a altas energías:
La escala de Planck, MP
G
e
?
G
Teoría de cuerdas
Completa la Relatividad General a altas energías / distancias pequeñas
Analogía:
Relatividad General
Fermi
G
- Vértice
G
GF
- Acoplamiento
- Escala
G
GN
LF ≈ (1019 GeV) -1
LF ≈ (100 GeV)-1
!
e
- Compleción
a alta energía
G
G
W
!
Nueva Física a altas energías:
La escala de Planck, MP
G
e
¿Qué nueva Física?
?
G
Las cuerdas
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
La geometría interna determina
las propiedades físicas en 4d
partículas, interacciones, familias, ...
Muchas posibles elecciones
de geometría interna: “Landscape”
SM en teoría de cuerdas
Las cuerdas abiertas pueden vivir
localizadas en subespacios
D-branas
espacio-tiempo 10d
D-brana
SM en teoría de cuerdas
Las cuerdas abiertas pueden vivir
localizadas en subespacios
D-branas
espacio-tiempo 10d
D-brana
Partículas de interacción:
cuerdas abiertas en las branas
Partículas de materia:
cuerdas abiertas en las intersecciones
SM en teoría de cuerdas
Las cuerdas abiertas pueden vivir
localizadas en subespacios
D-branas
espacio-tiempo 10d
D-brana
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-branas
Es “normal” tener múltiples familias
Más allá del SM en teoría de cuerdas
Nuevos fenómenos ... ¿detectables... ?
Mundo-brana (brane-world)
Dimensiones extra observables
Supersimetría
Mini-agujeros negros
Cuerdas cósmicas, Z´s, ... y muchas otras ...
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 cuánticos
El 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
Entropía de Bekenstein-Hawking
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
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 5d
en términos de una teoría cuántica de campos 4d
¡ Holografía !
¿El final
de la Física?
¿El final
¡Pasamos
al
de la Física?
próximo nivel!
Tanteando las fronteras...
El Muro
Un camino largo y no siempre claro...
Pero vivir escudriñando los misterios del Universo...
vivir escudriñando los misterios del Universo...
¡No tiene precio!