Los retos de la Física Fundamental en el siglo XXI
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Los retos de la Física Fundamental en el siglo XXI Luis Ibáñez UAM-CSIC, Madrid 1 Semana de la Ciencia Residencia de Estudiantes 16 Noviembre 2013 Retrocedamos en el tiempo... 2 3 S. XVI ¡El hombre deja de ser el centro del universo! Revolución Copernicana: Copérnico 1543 Kepler 1609 leyes del movimiento de los planetas 4 Kepler asoció erroneamente los 5 planetas entonces conocidos a los 5 polihedros regulares Hoy sabemos que el número y movimiento de los planetas no es mas que un accidente geográfico Error: dar significado fundamental a hechos accidentales 5 La Física moderna empieza en el siglo XVII: Galileo Galilei 1604 Matematización de la Física Método científico 6 Optica 1687 Isaac Newton Fuerzas a distancia Gravitación Universal Leyes del movimiento ¡Primera unificación! 7 Reformulación en el siglo XIX...... Principio de Minima Acción: Lagrange Accion = S = 1834 Hamilton � L dt Lagrangiano Reproduce leyes de Newton y ...... 8 Noción de ‘campo de fuerzas’ Coulomb Ampere J.C. Maxwell Faraday 1865 Luz = Radiacion electromagnetica 1 Electricidad, Magnetismo y luz unificados: c = √ � 0 µ0 9 A finales del siglo XIX se creía conocer el universo con bastante precisión salvo pequeños detalles: 1869 Mendeleiev Tabla de los elementos químicos Modelo atómico de Thomson 1904 No explica esa estructura 10 La curiosa estructura de los ‘‘espectros’’ de absorción y emisión de luz...... La existencia de fenomenos radiactivos.... 1900 Roentgen, Curie Planck La radiación del ‘cuerpo negro’.... 11 La constancia de la velocidad de la luz en sistemas en movimiento... 1887 Otro error: Escepticismo respecto a la astrofísica: de los planetas(estrellas) . . . . nunca sabremos nada desu estructura quimica o mineralogica. . . . Course de la Philosophie positive, A. Comte, 1835 12 Otro error más: ‘No hay nada nuevo que descubrir en Física en estos momentos. Lo único que nos queda es hacer medidas más y más precisas’ Lord Kelvin, 1900 Los pequeños ‘detalles’ que no cuadraban llevaron a la revolución de la Física en el siglo XX 13 Los dos pilares de la Física del siglo XX: 1) Teoría de la Relatividad 1905 1913-1928 2) Mecánica Cuántica 14 Bohr Schrodinger Heisenberg Pauli Dirac 1) Teoria Especial de la Relatividad c= constante 1905 = 299.792Km/s velocidad de la luz en el vacio independiente de la velocidad del emisor c= máxima velocidad de propagacion de las interacciones la masa es una forma de energía � 1 2 E= + � mc + mv ... 2 masa = energia empaquetada m2 c4 p2 c 2 15 2 Einstein con Blas Cabrera en el centro de Madrid (1935) ..y con Mme Curie 16 2) Mecánica Cuántica Acción multiple entero de h = 6, 6 × 10 −34 Js Toda magnitud con unidades de acción esta cuantizada: (mv) · x , E · t , �r × m�v = (entero)h h ∆x � ∆(mv) Imprecisión intrínseca en la medida de la posición 17 En el mundo (sub)atómico no tiene sentido hablar de trayectoria de una partícula X(t) −→ Ψ(x, t) = |Ψ(x, t)|2 Función de onda Las partículas se comportan como ondas y viceversa: 18 La M.C. permite entender la estructura de los elementos químicos.... ......y las moleculas, cristales toda la materia usual 19 Nucleo: protones (carga positiva) y neutrones (neutros) (ligados por la Interacción ‘‘Fuerte’’) Corteza: electrones (carga negativa) (Solo existen unos 100 tipos de átomos estables, pues la repulsión entre protones rompería los nucleos) 20 ’ DISTANCIAS SUBATOMICAS ’ ’ MECANICA CUANTICA SIGLO XIX ’ PARTICULAS ELEMENTALES TEORIA CUANTICA DE CAMPOS ’ ’ FISICA ’ CLASICA RELATIVIDAD ESPECIAL VELOCIDADES MUY GRANDES (DEL ORDEN DE LA DE LA LUZ) RELATIVIDAD GENERAL 21 ’ ASTROS Y COSMOLOGIA ueda de los constituyentes últimos de la materia SIGLO XX Mecánica Cuántica + Relatividad: ‘Teoría Cuántica de Campos’ Pauli Dirac Feynman 1928-1950 Por cada tipo partícula fundamental debe de existir una antipartícula, igual pero con cargas opuestas positrón 1932 1928 22 Anderson En una interacción relativista y cuántica el número de partículas no se conserva La masa se puede convertir en energía y viceversa (p.e. reactores/bombas nucleares) Choque p+p en el LHC (CERN): p + p23 → muchas particulas Some Theoretical Ejemplo de cálculo en Teoría Views de Campos !"#$% (."#$/% &"''% ()*+,-*% 24 c Mecanica Clásica N.R. Mecanica C. Relativista Mecanica Cuántica N.R. Teoria Cuántica de Campos De la T.C. de C. se obtienen25 las otras como limites... � Meca 1950-1975 El Modelo Estandar de La Física de Partículas Es la Teoría Cuántica de Campos que describe 3 de las 4 interacciones fundamentales de la Naturaleza (El Lagrangiano del Modelo Estandar en una taza del CERN....) 26 ’ Electron Nucleo La búsqueda de los constituyentes últimos de la materia ’ Atomo ’ Proton ’ Neutron Quark Zweig 1964 3 Gel-mann 27 MATERIA USUAL up down e !e BOSONES INTERMEDIARIOS Fuerza Nuclear ’ Gluon charm strange µ !µ A ALTAS t op " ENERGIAS bottom !t MATERIA EXISTENTE Fuerza Debil ’ W, Z ’ Electromagnetica 28 ’ Foton Bosones ‘Spin’=1 4 Fermiones ‘Spin’=1/2 eda de los constituyentes últimos de la materia QUARKS LEPTONES LAS 4 INTERACCIONES FUNDAMENTALES Tipo de Fuerza Intensidad Partı́cula Mediadora Importante en : Nuclear Fuerte Gluón Nucleo atómico Electromagnética Fotón Corteza atómica Débil Radiactividad Beta (estos 3 tienen masa) ( Gravitación Gravitón Astros ‘BOSONES INTERMEDIARIOS’ 29 ¿ Por qué son las intensidades tan dispares? ) El origen de la masa de las partículas elementales El MS predice la existencia de una nueva partícula: El Bosón de Higgs 1964 Higgs Englert Brout 30 The Wall Street Journal El campo de Higgs llena el espacio y 31 ‘frena’ a las partículas dandoles masa T. Cuántica de Campos: los campos tienen partículas asociadas: el BOSON DE HIGGS Hubo que esperar casi 50 años pero el 4 de Julio de 2012: Experimentos ATLAS y CMS del (CERN) p + p −→ Higgs(γγ) + X MHiggs = 126 GeV Un gran éxito de la Física 32Teórica (y experimental!) La predicción de Homer Simpson resultó incorrecta... = 303 GeV 33 LHC CERN GINEBR A LHC-b CERN ATLAS ALICE CMS ATLAS LHC-b ALICE CMS LEP/LHC supersimetría es real o no. Por otra parte, la supersimetría constituye, además, un ingrediente fundamental de la teoría de cuerdas. La noción misma de supersimetría se creó dentro de la teoría de cuerdas, en 1971, por obra de Pierre Ramond, mucho antes de que se señalase su posible utilidad para resolver el problema de las jerarquías de escala y antes también de que se la considerase una candidata a teoría unificada. La supersimetría 34 es necesaria para la consistencia matemática de la teoría de cuerdas. Si se descubre la supersimetría en Interacciones de Yukawa CERN !Nuevas interacciones fundamentales! el LHC, significará un importante respaldo para la teoría de cuerdas en su calidad de candidata a describir todas las interacciones de la naturaleza. Hay que señalar que la teoría de cuerdas, aunque contiene como ingrediente fundamental la supersimetría, no predice de manera estricta que las partículas supersimétricas (squarks, sleptones, etcétera) deban ser descubiertas en el LHC. La razón es que la teoría puede también ser consistente en una situación en que estas partículas porten una masa El Lagrangiano del Modelo Standard Algunos de sus artifices en el IFT, Madrid, Dic. 2011 35 Veltman, Glashow, Gross Y la Gravitación? Juan Garcia-Bellido os lo ha contado maravillosamente! 36 Teoría Relativista de la Gravitación de Einstein 1915 La energía (no solo la masa) gravita Agujeros negros La energía ‘curva’ el espacio alrededor 37 Aplicada al Universo como un todo: COSMOLOGÍA Hubble, 1929 Lemaitre, 1927 Fridman Universo en expansión desde hace 13, 82 × 109 años a=tamaño del universo ρ = densidad materia/radiacion 38 K = curvatura Fondo Cósmico de Microondas Inhomogeneidades predichas por inflación Text 39 Nucleosíntesis primordial Gamow Abundancias elementos químicos en el Universo 1948 Λ = constante cosmologica? En T.C.C. : Λ = energia del vacio Nuevo tipo de materia que interactua muy debilmente Que es la energía oscura? 40 Materia oscura De que está compuesta? Los retos del siglo XXI.... 41 Por qué las masas de quarks y leptones son las que son? Neutrinos Oscilan entre si.. 42 Tipo de Fuerza Intensidad Partı́cula Mediadora Importante en : Nuclear Fuerte Gluón Nucleo atómico Electromagnética Fotón Corteza atómica Débil Radiactividad Beta Gravitación Gravitón Astros Por qué hay 4 interacciones fundamentales? Por qué tienen intensidades tan diferentes? 43 ¿ Por qué son las intensidades tan dispares? T.C. de Campos: intensidad depende de la energía a la que se mide INTENSIDAD Georgi,Quinn,Weinberg (1974) 1 8 FUERZA NUCLEAR Sugiere una unificación a energías enormes ’ DEBIL 1 24 16 MX = 10 GeV ’ 1 128 ELECTROMAGNETICA 10 2 ’ 10 ENERGIA (GeV) 44 ZONA ACCESIBLE A ACELERADORES 16 Que unificación? Esta gran escala de unificación MX = 1016 GeV está cercana a la escala de energías donde los efectos cuánticos gravitacionales se hacen tan fuertes como los de las otras 3 : � �c MP = = 4.3 × 1018 GeV 8πGN ‘Escala de Planck’ ? MX 45 Unificacion delas 4 interacciones? MP (1) Por otra parte la escala dela las interacciones Electrodébiles es mas El Laproblema de estabilidad del Higgs inestabilidad de las jerarquı́as de un billón de veces menor que . Particulas M X Virtuales M Planck o MW La escala electrodébil depende directamente de la masa 100 del ‘ boson de Higgs’. ENERGIA (GeV) MHiggs En el Modelo Standard un valor no nulo del campo del bosón de 16 10 es el origen deTales todas las masas decu lasánticos efectos Higgs partı́culas elementales. Escala Escala Gran Unificacion ’ Electrodebil ’ La masa del boson de Higgs es inestable bajo efectos escala electrodebil : cuánticos: H H 18 10 dan lugar a correciones de tal m se hace del orden de la de Gra Escala de Planck Desde el punto de vista teórico es muy dificil de entender y mantener estable tal jerarquı́a de escalas. Particulas Virtuales 46 Tales efectos cuánticos dan lugar a correciones de tal manera que la En Física normalmente no hay ‘ajustes finos´ Ejemplo: Radio del átomo de Hidrógeno �2 Radio � me e 2 e , me , � Estimación magnitud 3 �2 −9 Radio = = 5 × 10 cm 2 2 me e Cálculo completo en M.C. MX , MP , MH , ... MHiggs � MX � 1016 GeV Experimentalmente : 126 GeV Mismo problema con la c.c.: Λ � 1076 (Gev)4 (10−36 (GeV )4 ) 47 Hay algo que no entendemos: problema de ‘Naturalidad’ 48 ~ q Bosones q Squark Selectrón Ne ~ Ne Sneutrino g ~ g Gluino e Neutrino Gluon Gravitón G Fotón G 6. LA SUPERSIMETRÍA asocia a cada fermión —componente de la materia— del modelo estándar un bosón no incluido en el modelo estándar, y a cada (para—transmisor el Higgs, no bosón de para fuer- la c.c.) za—, un fermión. El LHC podrá quizá descubrir esas “partículas supersimétricas”, hasta ahora sólo hipotéticas. Una elegante solución: SUPERSIMETRÍA ~ e Electrón Fermiones o a aas Quark Fermiones e fire o ms, Supersimetría Bosones n) n o, a as as gs as ~ G Gravitino ~ G Fotino 49 Para cada tipo de partícula debe existir una ‘compañera supersimétrica’ 1974 Wess Zumino La contribución de las nuevas super-partı́culas cancela la inestabilidad , ( Maiani, Veltman, Witten, (1980) ): H H (3) Particulas Virtuales q,l,w,!,".... H H La supersimetrı́a no es una simetrı́a exacta . Está rota de tal manera que todas las nuevas super-partı́culas son muy masivas , entre 1 y 20 veces . Las nuevas partículas ‘SUSY’ estabilizan al Higgs 50 S-Particulas Virtuales ## ### q,l,w,!,".... Particulas SUSY mas ligeras, los neutralinos, son estables Candidatos naturales para constituir la materia oscura Squarks, gluinos, etc.., son muy masivos.. pero debiera ser posible detectarlos en el acelerador LHC del CERN Neutralinos No dejan trazas cargadas en los detectores 51 Falta energía en esta dirección se detectarían indirectamente 52 =$>,1&%$$@AB$%,I1'>$-*&3(J$C1)&(-',1-,&% $$$Q2HRS$$(&13(7'>,%'-,31TU')-3(,V'-,31$%)'>&%W No hay traza de Supersimetría en el LHC hasta el momento... 2013: &'$()*+'# # %" ,- $&- !./0 # %" ,- $&123 !./0 # %" ,- $&423 !./0 +,-*$./0.! $# "' $)*() $# (" $ Masas de Squarks /,1'$23--&($4$056 $!&7,1'( y gluinos > 1700 GeV ! 89 Quizá SUSY no sea la solución al problema de53 la naturalidad!!! Por qué el Higgs pesa 126 GeV? 54 SM Supersimétrico 126 es un valor especial.... SM 126 100 LHC 200 mh 400 300 Vacuum stability and the Higgs Boson ....universo al borde de la catastrofe (lejana en el tiempo...) 107 108 109 Instability Top pole mass Mt in GeV 178 1010 1011 1012 1013 176 1016 174 1,2,3 Σ Meta�stability 1019 172 170 1018 1014 55 168 120 10 17 Stability 122 124 126 128 Higgs pole mass Mh in GeV 130 ? 200 Top mass Mt in GeV 180 150 st ta� e M a 100 50 0 132 0 50 Higg El reto de la Gravitación Cuántica: No tenemos todavía una Teoría Cuántica de la Gravitación completa Aplicando las recetas de la Teoría Cuántica de Campos se llega a inconsistencias matemáticas Muchos físicos piensan que hay que abandonar la idea de que las partículas elementales son puntuales 56 La Teoria de Cuerdas y la Unificación de las Interacciones... 1968-1985-1995-1997-....(en construcción) 57 Veneziano Schwarz Green Gross Witten Maldacena sin masa que se a forma de materia que la consisten existencia de la Partícula mientras que las Partícula + Energía dar se asocian co + cuerdas abiertas, Armónico Armónicos estado de vibrac cerrada. Otra propieda extenso (no pun desaparezcan los extensa las partı́culas hoy, node existe unacantidad teoría cuántica la gravi- nan gravitación AL COMUNICAR UNA ENER-Estructura Si2.suministráramos una enorme dede energía a una tación coherente en todos sus extremos. los cálculos en l GIA MUY GRANDE a una partípartícula elemental estructura de cuerda cula aparentemente puntual se revelaríamos Efectivamente, asu diferencia de las otras tos. Se trata del revelaría su estructura dequark cuertres interaccionesquark fundamentales, la teoría de teoría: las de cue da. Las vibraciones más ligeras la gravitación presenta inconsistencias en el encontradas que corresponden a la partícula, nivel cuántico. Cálculos en teoría cuántica mecánica cuántic mientras que las vibraciones de campos que involucran la gravitación dan requiere que las c de mayor frecuencia, los arresultados numéricamente infinitos de difícil dad, la de supers mónicos, tienen una masa muy interpretación física. Se dice que la teoría es “teorías de super grande y no son observables quark quark Este problema parece cuestión nos ocu “no renormalizable”. a bajas energías. necesitar una revisión de algunos puntos de Hay un ingre vista básicos de la física del siglo . Muchos teoría de cuerdas piensan que hay que abandonar la idea de con seis dimensio 58 que los constituyentes fundamentales de la requiere que hay La búsqueda de los constituyentes últimos de la materia 24 Cuerdas abiertas Cuerdas cerradas mos seis dime es bastante más En general, si rezca a bajas en observado, las deben de corre propiedades ma no describirem .*+)()*$-,$,/ Quarks leptones, Quarks, leptones gluones, W, Z, fotón Gravitón 62 Es conveniente gía que estamo La Teoría de Cuerdas exige la existencia de la gravitación Inconsistencias matemáticas al combinar gravitación+M.C. desaparecen por el caracter no puntual de las interacciones: Todas las interacciones unificadas! 59 INVEST La Teoría de Cuerdas tiene su expresión mas simple en 1+9 dimensiones (en vez de 1+3) Dimensiones extra: Una vieja idea: ulas . La una sa y otra. tein, parluz. dería ceso geno que HC s del Di sio en m s ne dos teoe las de la tura a, la 1921-1926 R Quinta dimensión les a u t i hab Kaluza R << Distancias exploradas en aceleradores 4. ESQUEMA DE UN ESPACIO CON UNA QUINTA DIMENSION. En cada punto de las dimensiones habituales hay otra dirección posible, correspondiente a una quinta 60 dimensión más allá de las tres dimensiones espaciales habituales y el tiempo. Esta quinta dimensión está curvada sobre sí misma en un círculo de radio ! de tamaño Inobservables con las energías habituales.... Klein 6 Dimensiones extra Puede explicar por qué hay 3 generaciones de fermiones Determina p.e. la estructura de la masa de leptones y quarks... Hay soluciones que dan lugar a una estructura muy, similar al MS 6 dimensiones extra están ‘compactificadas’ 61 La Teoría contiene además nuevos objetos extensos D-branas Generalización de las cuerdas a mas dimensiones: Las cuerdas abiertas comienzan y terminan en D-branas 1995 D-branas 62 Polchinski Las partículas del MS vienen de vibraciones de las 63 cuerdas en las intersecciones Antes de 1995 pensabamos que habia 5 tipos de cuerdas: supercuerdas es la multiplicidad : Hay 5 supercuerdas consistentes. Tipo I Gliozzi,Scherk,Schwarz (1977) Tipo II-A (1984) Green,Schwarz Tipo II-B ’ Heterotica ’ Heterotica E8 x E 8 SO(32) Gross,Harvey, (1986) Martinec,Rohm 1995 : Están unificadas En 1995 se vió que estas 5 teorı́as son limites diferentes de un sola en una estructura teorı́a. matemática única: Ciertas simetrias de dualidad relacionan unas supercuerdas con otras de tal forma que en realidad existe una sola teorı́a subyacente, Teoría M denominada TEORIA M 64 (1990)). Ciertas teorı́as son invariantes baj La búsqueda de los constituyentes últimos de la materia Unas sorprendentes simetrías conectan las teorías: squeda de los constituyentes últimos de la materia g = intensidad de las interacciones M D = 11 S C II-B C II-A E 8x E 8 C C Dualidad-S ’ con intensidad Teoria C Dualidad-T D = 10 33 SO(32) S I C = ’ con intensidad 1 Teoria Dualidad T: (Kikawa y Yamasaki, 1984; Shapere y Wilczek,1989). T g T entre una dimensión Para Duna de cuerdas II-B II-A no hay E 8diferencia xE SO(32) = 9teorı́a Fuerte=Débil g 8 extra de radio R y una de radio 1/R (en unidades de escala de la cuerda): 35 Dualidad-T ’ ’ extra de radio RHeterotica SO(32) (g) Cuerda con una dimension = ’ extra de radio 1 Cuerda con una dimension R 65 = Tipo I(1/g)(P Tipo IIB (g) = Tipo IIB (1/g) Grande = Pequeño (Sc PROBLEMA: existe un número enorme de soluciones de las ecuaciones de la Teoría M: 500 10 soluciones, cada una con diferentes constantes de la naturaleza y tipos de partículas Nosotros ¿Por qué esta solución? ‘Paisaje de la T. de Cuerdas’ 66 2000 Polchinski Susskind Bousso Es un problema o una bendición? Universo inflacionario: se crean nuevos universos sin cesar Cada universo corresponde a una diferente solución de la T. de Cuerdas Solo podemos vivir en un universo que permita la aparición de la vida Una enorme mayoría de las soluciones de T. Cuerdas son incompatibles con la aparición de la Química (y la vida!) Es bueno que haya 10500 (P ara que el hecho improbable de la aparicion de la vida sea posible) 67 ¡Nuevo giro Copernicano! ALGUNAS magnitudes físicas podrían venir determinadas por que valores distintos serían incompatibles con el universo que observamos: −120 Λc.c. = 10 mu < md mHiggs � 10 (si no, no habría formación de galaxias) 4 MP 1987 Weinberg (si no no habría átomos estables) −17 MP (átomos inestables) En este caso Supersimetría no sería relevante para la estabilidad del Higgs... Quizá habrá que renunciar a que todas magnitudes físicas sean predichas por la teoría: algunas magnitudes serían ‘Históricas’, no fundamentales: NO COMETER 68 EL ERROR DE KEPLER DE NUEVO La temperatura media de la tierra y la abundancia de agua son requisitos para que estemos aqui... 69 ¿Es la Teoría de cuerdas la Teoría Unificada definitiva? Probablemente sí, pero nos llevará posiblemente bastante tiempo encontrar una formulación completa En esa formulación completa es posible que el espacio y tiempo aparezcan como conceptos ‘derivados’, no fundamentales ¿Se puede verificar experimentalmente la Teoría de Cuerdas? ¡No hay que volver a repetir el error de Comte! 70 Los futuros experimentos serán vitales: LHC: ¿Supersimetría?, ¿materia oscura? ¿mas Higgses?, ¿nuevas partículas? ¿Detección directa de matería oscura? ¿Energía oscura? ¿Ondas gravitacionales? Física de neutrinos, ‘axiones’, nuevos bosones,... ¿Detalles? 71 ¡No debemos repetir el error de Lord Kelvin! avancemos en el tiempo... 72 73 Comienzo construcción: 2020 Colisiones: 2030 El señor de los anillos.... ...de colisión 74 ¡Gracias! 75 76 Transparencias de reserva..... 77 3 e probability dise if the resulting With a large samn the probability r of times we obmulations. Using parameters introm our simulations mu 15 20 20 10 5 0 15 me 10 (gj )A(Γi , gj , v). (4) q. (2) is obtained e intrinsic probaumption of a flat e likelihood funcA|given v) of Eq. tion L(v) we can d which ones are obability density of the most likely does not indicate gful quantities to entiles. A simpler of the most likely 5 00 5 10 15 20 md FIG. 1: The anthropic constraints on mu , md , me in MeV units. 78 key feature here is that the pion mass-squared is proportional to this sum of masses, and as the pion mass gets larger nuclear binding quickly becomes weaker. The ....pero eso no va a ocurrir mañana... 79
